JP2016192510A - Resistance change element and formation method therefor - Google Patents

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岡本 浩一郎
Koichiro Okamoto
浩一郎 岡本
直樹 伴野
Naoki Tomono
直樹 伴野
宗弘 多田
Munehiro Tada
宗弘 多田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a resistance change element having reduced leak current in the OFF state and improved breakdown voltage at the time of reset.SOLUTION: A variable-resistance element includes: a first electrode 1; a second electrode 2; and a resistance change layer 3 provided between the first electrode and second electrode. The resistance change layer 3 is composed of: a buffer layer 4 in contact with the first electrode 1; and a solid electrolyte layer 5 in contact with the second electrode 2. The first electrode 1 has a structure including copper; and ionizes the copper when voltage is applied between the first electrode and second electrode, and injects the ionized copper into the buffer layer and solid electrolyte layer. The buffer layer 4 is made from oxide of valve metal having oxidation free energy negatively larger than that of copper; and has a structure in which a first metal oxide layer 6 and second metal oxide layer 7 are provided in this order from the side closer to the first electrode, where the second metal oxide layer 7 is a passive layer.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、抵抗変化素子およびその形成方法に関するものである。   The present invention relates to a resistance change element and a method for forming the same.

半導体デバイス(特にシリコンデバイス)は、微細化(スケーリング則:Mooreの法則)によってデバイスの集積化・低電力化が進められ、3年4倍のペースで開発が進められてきた。近年、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)のゲート長は20nm以下となり、リソグラフィプロセスの高騰(装置価格およびマスクセット価格)、およびデバイス寸法の物理的限界(動作限界・ばらつき限界)により、これまでのスケーリング則とは異なるアプローチでのデバイス性能の改善が求められている。
半導体装置上の銅多層配線構造の内部に形成される機能素子としては、例えば抵抗変化型不揮発素子(以下では、「抵抗変化素子」と称する)やキャパシタ(容量素子)等がある。
ロジックLSI(Large Scale Integration)上に混載するキャパシタとしては、エンベデッドDRAM(Dynamic Random Access Memory)や、デカップリングキャパシタなどがある。これらのキャパシタを銅配線上に搭載することで、キャパシタの大容量化や小面積化を実現可能になる。
ゲートアレイとスタンダードセルの中間的な位置づけとしてFPGA(Field Programmable Gate Array)と呼ばれるデバイスが開発されている。これは顧客自身がチップの製造後に任意の回路構成を行うことを可能とするものである。プログラマブル素子として、抵抗変化素子等を配線接続部に介在させ、顧客自身が任意に配線の電気的接続をできるようにしたものである。このような半導体装置を用いることで、回路の自由度を向上させることができる。
Semiconductor devices (particularly silicon devices) have been developed at a pace of three years, with the integration and low power consumption of the devices being advanced by miniaturization (scaling law: Moore's law). In recent years, the gate length of MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) has become 20 nm or less, so far due to soaring lithography process (apparatus price and mask set price), and physical limits of device dimensions (operation limits and dispersion limits). There is a need to improve device performance with an approach different from the scaling law.
Examples of the functional element formed inside the copper multilayer wiring structure on the semiconductor device include a resistance variable nonvolatile element (hereinafter referred to as “resistance variable element”) and a capacitor (capacitance element).
Examples of capacitors embedded on a logic LSI (Large Scale Integration) include an embedded DRAM (Dynamic Random Access Memory) and a decoupling capacitor. By mounting these capacitors on the copper wiring, it is possible to increase the capacity and area of the capacitor.
A device called FPGA (Field Programmable Gate Array) has been developed as an intermediate position between the gate array and the standard cell. This makes it possible for the customer himself to perform an arbitrary circuit configuration after manufacturing the chip. As the programmable element, a resistance change element or the like is interposed in the wiring connection portion, so that the customer himself can arbitrarily connect the wiring. By using such a semiconductor device, the degree of freedom of the circuit can be improved.

抵抗変化素子とは、抵抗状態の変化によって情報を記憶する素子の総称であり、下部電極と上部電極によって抵抗変化層を挟んだ3層構造を有しており、両電極間に電圧を印加することで抵抗変化層の抵抗変化が生じる現象を利用している。抵抗変化素子としては、抵抗変化層として金属酸化物を用いたReRAM(Resistive RAM)や、固体電解質を用いた固体電解質スイッチ素子などがある。
固体電解質スイッチ素子の研究については、1990年代後半からいくつか報告されており、さまざまな固体電解質材料による抵抗変化現象が確認されている。例えば、非特許文献1および非特許文献2には、カルコゲナイド化合物を用いた抵抗変化現象が報告されている。
以下に、固体電解質スイッチ素子の構造およびスイッチング動作について簡単に説明する。
A resistance change element is a generic term for elements that store information by changing a resistance state, and has a three-layer structure in which a resistance change layer is sandwiched between a lower electrode and an upper electrode, and a voltage is applied between the two electrodes. This utilizes the phenomenon that the resistance change of the resistance change layer occurs. Examples of the resistance change element include ReRAM (Resistive RAM) using a metal oxide as a resistance change layer, and a solid electrolyte switch element using a solid electrolyte.
Several studies on solid electrolyte switch elements have been reported since the latter half of the 1990s, and resistance change phenomena due to various solid electrolyte materials have been confirmed. For example, Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 report a resistance change phenomenon using a chalcogenide compound.
The structure and switching operation of the solid electrolyte switch element will be briefly described below.

固体電解質スイッチ素子は、固体電解質層を2つの電極(下部電極および上部電極)で挟んだ構造を有している。ここで、2つの電極のうち一方は化学的に活性であり、電圧印加により容易に酸化および還元が可能な金属が用いられ、他方の電極には、化学的に不活性な金属材料が用いられる。
次に、固体電解質スイッチ素子の動作について説明する。ここでは、例として化学的に活性な電極を下部電極とする。
例えば、オフ状態(高抵抗状態)にある固体電解質スイッチ素子において、下部電極(化学的に活性な電極)を接地し、上部電極(化学的に不活性な電極)に負電圧を印加すると、下部電極を構成する金属原子がイオン化して固体電解質層中に溶出し、導電性を有する金属架橋が形成される。この固体電解質中に形成された金属架橋により両電極が電気的に接続されることで、スイッチがオン状態(低抵抗状態)に変化する。この電圧印加によってオフ状態からオン状態へ変化させる動作をセットと呼ぶ。
一方で上記オン状態において、下部電極を再び接地し、上部電極に正電圧を印加すると、上記金属架橋が溶解して金属原子が下部電極に引き戻され、両電極が電気的に絶縁されることで、スイッチが高抵抗のオフ状態に変化する。この正電圧印加によってオン状態からオフ状態へ変化させる動作をリセットと呼び、セットとリセットを合わせてプログラミングと呼ぶ。
このように固体電解質スイッチ素子はこのオン状態とオフ状態の間を不揮発で、かつ繰り返しプログラミング動作が可能であり、この特性を利用することで不揮発性メモリあるいは不揮発性スイッチへの応用が可能になる。
The solid electrolyte switch element has a structure in which a solid electrolyte layer is sandwiched between two electrodes (a lower electrode and an upper electrode). Here, one of the two electrodes is chemically active, a metal that can be easily oxidized and reduced by voltage application is used, and a chemically inactive metal material is used for the other electrode. .
Next, the operation of the solid electrolyte switch element will be described. Here, as an example, a chemically active electrode is used as the lower electrode.
For example, in a solid electrolyte switch element in an off state (high resistance state), when the lower electrode (chemically active electrode) is grounded and a negative voltage is applied to the upper electrode (chemically inactive electrode), Metal atoms constituting the electrode are ionized and eluted into the solid electrolyte layer, and conductive metal bridges are formed. When both electrodes are electrically connected by the metal bridge formed in the solid electrolyte, the switch is turned on (low resistance state). The operation of changing from the off state to the on state by applying this voltage is called a set.
On the other hand, in the ON state, when the lower electrode is grounded again and a positive voltage is applied to the upper electrode, the metal bridge dissolves, the metal atoms are pulled back to the lower electrode, and both electrodes are electrically insulated. The switch changes to the high resistance OFF state. The operation of changing from the on state to the off state by applying a positive voltage is called reset, and the set and reset are collectively called programming.
As described above, the solid electrolyte switch element is nonvolatile between the on state and the off state, and can be repeatedly programmed. By utilizing this characteristic, it can be applied to a nonvolatile memory or a nonvolatile switch. .

固体電解質を利用した記憶素子の一例が特許文献1に開示されている。特許文献1に開示された記憶素子は、下部電極と上部電極との間に、抵抗変化層およびイオン源層が積層された記憶層が設けられた構成である。この記憶素子の構成を上記の固体電解質スイッチ素子の構成と対比すると、抵抗変化層は固体電解質層に相当し、イオン源層は金属イオンを供給する電極に相当する。特許文献1に開示された記憶素子は、上記の固体電解質スイッチ素子と上下の構造が逆になった構成である。   An example of a memory element using a solid electrolyte is disclosed in Patent Document 1. The memory element disclosed in Patent Document 1 has a configuration in which a memory layer in which a resistance change layer and an ion source layer are stacked is provided between a lower electrode and an upper electrode. When the configuration of the memory element is compared with the configuration of the solid electrolyte switch element, the resistance change layer corresponds to a solid electrolyte layer, and the ion source layer corresponds to an electrode that supplies metal ions. The memory element disclosed in Patent Document 1 has a configuration in which the upper and lower structures of the above solid electrolyte switch element are reversed.

固体電解質スイッチ素子の不揮発性メモリおよび不揮発性スイッチへの応用においては、オフ状態は、より低いリーク電流、すなわちより高抵抗であることが好ましい。したがって、オフ状態の高抵抗化を図るためには、一般的に、リセット動作時により高い正電圧を印加することが行われる。しかしながら、ある電圧以上の高いリセット電圧を印加すると固体電解質層内にて絶縁破壊を生じ、正常なオン状態よりも低抵抗の状態に遷移したままそれ以上抵抗変化を示さなくなる。この電圧を絶縁破壊電圧と呼ぶ。したがって、絶縁破壊電圧が高くなるように素子を設計し、製造することで、高いリセット電圧を印加でき、より高抵抗のオフ状態が得られる。   In application of the solid electrolyte switch element to a nonvolatile memory and a nonvolatile switch, it is preferable that the OFF state has a lower leakage current, that is, a higher resistance. Therefore, in order to increase the resistance in the OFF state, generally, a higher positive voltage is applied during the reset operation. However, when a high reset voltage higher than a certain voltage is applied, dielectric breakdown occurs in the solid electrolyte layer, and the resistance change does not show any more while transitioning to a lower resistance state than the normal ON state. This voltage is called a dielectric breakdown voltage. Therefore, a high reset voltage can be applied and a higher resistance OFF state can be obtained by designing and manufacturing the element so that the dielectric breakdown voltage becomes high.

これらを半導体装置上の銅多層配線内部に形成する手法について知られている。例えば、特許文献2および特許文献3には、CMOS基板上の銅多層配線構造の内部に設けられた2端子型固体電解質スイッチ素子と、その製造方法が開示されている。特許文献2および特許文献3には、CMOS基板上の銅多層配線構造の内部において、絶縁層の一部を開口加工して露出した銅配線そのものを、金属イオンを固体電解質中へ供給する活性電極として用いて2端子型固体電解質スイッチ素子を作製することが開示されている。
固体電解質スイッチ素子を製造するにあたり、下部電極として銅電極を用いる場合、銅電極表面が酸化すると、オフ状態におけるリーク電流ばらつきが増大する。さらに、リセット時の絶縁破壊電圧の低下を生じる。この課題を解決する方法が非特許文献3に開示されている。非特許文献3では、固体電解質スイッチ素子の積層において、下部電極である銅と固体電解質層の間に、銅表面の酸化を防止するため銅よりも酸化の自由エネルギーが負に大きい金属をバルブメタルとして堆積し、バルブメタルが酸化することで銅の酸化を抑制するバッファ構造を素子に設けることを提案している。
A method of forming these inside the copper multilayer wiring on the semiconductor device is known. For example, Patent Document 2 and Patent Document 3 disclose a two-terminal solid electrolyte switch element provided in a copper multilayer wiring structure on a CMOS substrate and a method for manufacturing the same. In Patent Document 2 and Patent Document 3, an active electrode for supplying metal ions into a solid electrolyte is formed by exposing a copper wiring itself exposed by opening a part of an insulating layer in a copper multilayer wiring structure on a CMOS substrate. To produce a two-terminal solid electrolyte switch element.
In manufacturing a solid electrolyte switch element, when a copper electrode is used as the lower electrode, if the surface of the copper electrode is oxidized, variation in leakage current in the off state increases. Furthermore, the breakdown voltage at the time of reset is reduced. A method for solving this problem is disclosed in Non-Patent Document 3. In Non-Patent Document 3, in the stacking of solid electrolyte switch elements, a metal having a negative oxidation free energy larger than that of copper is used as valve metal to prevent oxidation of the copper surface between the lower electrode copper and the solid electrolyte layer. It is proposed that the element be provided with a buffer structure that suppresses copper oxidation by oxidizing the valve metal.

特開2011−187925号公報JP 2011-187925 A 特開2011−091317号公報JP 2011-091317 A 国際公開第2010/079816号International Publication No. 2010/0779816

M . N. Kozicki, et al., "Information storage using nanoscale electrodeposition of metal in solid electrolytes", Superlattices and Microstructures, Vol.34,p.459−465, 2003M. N. Kozicki, et al. , "Information storage using nanoscale electrodeposition of metal in solid electorates", Superstratics and Microstructures, Vol. 34, p. 459-465, 2003 R. Waser, et al., "Nanoionics−based resistive switching memories", Nature Materials, Vol.6,p.833−840,2007R. Waser, et al. , "Nanoionics-based reactive switching memories", Nature Materials, Vol. 6, p. 833-840, 2007 M. Tada, et al., "Improved ON−State Reliability of Atom Switch Using Alloy Electrodes", IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 60, NO. 10, p.3534−3540,2013M.M. Tada, et al. , "Improved ON-State Reliability of Atom Switching Using Electrodes", IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 60, NO. 10, p. 3534-3540, 2013

非特許文献3に開示された抵抗変化素子においては、バルブメタルが銅電極の表面の酸化を抑制するために好適に作用する。発明者らが大規模な抵抗変化素子アレイを用いて素子特性に関するばらつきを含めた詳細な検討を行ったところ、バッファ層を構成するバルブメタルの一部が酸化せずに金属成分として残留した場合に、リーク電流の増大が生じることが認められた。一方で、その課題を解決するために、バルブメタルを完全に酸化しようとすると、逆に銅電極の表面が酸化されてしまい、リセット時の絶縁破壊電圧が低下してしまうことがわかった。   In the resistance change element disclosed in Non-Patent Document 3, the valve metal works favorably in order to suppress oxidation of the surface of the copper electrode. When the inventors conducted a detailed study including variations relating to device characteristics using a large-scale variable resistance element array, a portion of the valve metal constituting the buffer layer remained as a metal component without being oxidized. It was observed that an increase in leakage current occurred. On the other hand, in order to solve the problem, it was found that when the valve metal was completely oxidized, the surface of the copper electrode was oxidized and the dielectric breakdown voltage at the time of resetting decreased.

本発明は上述したような技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、オフ状態におけるリーク電流を低減するとともに、リセット時の絶縁破壊電圧を改善した抵抗変化素子およびその形成方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems of the technology, and provides a resistance change element and a method of forming the same that reduce a leakage current in an off state and improve a breakdown voltage at reset. The purpose is to provide.

上記目的を達成するための本発明の抵抗変化素子は、第1電極と、第2電極と、該第1電極および第2電極間に設けられた抵抗変化層とを有する抵抗変化素子であって、
前記抵抗変化層は、前記第1電極と接するバッファ層と、前記第2電極と接する固体電解質層とで構成され、
前記第1電極は、銅を含む構成であり、該第1電極および第2電極間に電圧が印加されると、銅をイオン化して前記バッファ層および前記固体電解質層内に注入し、
前記バッファ層は、銅よりも酸化の自由エネルギーが負に大きいバルブメタルの酸化物で構成され、前記第1電極に近い方から順に第1金属酸化物層および第2金属酸化物層が設けられた構成であり、
前記第2金属酸化物層は不動態層である。
In order to achieve the above object, a variable resistance element according to the present invention is a variable resistance element having a first electrode, a second electrode, and a variable resistance layer provided between the first electrode and the second electrode. ,
The variable resistance layer includes a buffer layer in contact with the first electrode and a solid electrolyte layer in contact with the second electrode.
The first electrode is configured to include copper, and when a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, copper is ionized and injected into the buffer layer and the solid electrolyte layer,
The buffer layer is made of a valve metal oxide having a negative oxidation free energy larger than that of copper, and a first metal oxide layer and a second metal oxide layer are provided in order from the side closer to the first electrode. Configuration,
The second metal oxide layer is a passive layer.

また、本発明の抵抗変化素子の形成方法は、
銅を含む第1電極を基板上に形成し、
前記第1電極の上面の一部を露出させる開口部を有する絶縁性バリア膜を前記第1電極の上に形成し、
前記開口部を含む前記絶縁性バリア膜上に第1の金属を含む膜である第1金属層と第2の金属を含む膜である第2金属層を順に堆積し、
前記第2金属層を堆積した後、大気暴露することなく前記第1金属層および前記第2金属層に酸化処理を行って、第1金属酸化物層および第2金属酸化物層を形成し、
前記酸化処理の後、減圧下、前記第2金属層の堆積温度よりも高い温度で加熱処理を行って、該第2金属酸化物層を不動態層に変換し、
前記第2金属酸化物層の上に固体電解質層および第2電極を順に形成するものである。
Moreover, the method of forming the resistance change element of the present invention includes:
Forming a first electrode containing copper on the substrate;
Forming an insulating barrier film having an opening exposing a part of the upper surface of the first electrode on the first electrode;
A first metal layer that is a film containing a first metal and a second metal layer that is a film containing a second metal are sequentially deposited on the insulating barrier film including the opening,
After depositing the second metal layer, the first metal layer and the second metal layer are oxidized without being exposed to the atmosphere to form a first metal oxide layer and a second metal oxide layer,
After the oxidation treatment, heat treatment is performed under reduced pressure at a temperature higher than the deposition temperature of the second metal layer, to convert the second metal oxide layer into a passive layer,
A solid electrolyte layer and a second electrode are sequentially formed on the second metal oxide layer.

本発明によれば、オフ状態におけるリーク電流を低減するとともに、リセット時の絶縁破壊電圧を改善することができる。   According to the present invention, it is possible to reduce the leakage current in the off state and improve the dielectric breakdown voltage at the time of reset.

第1の実施形態の抵抗変化素子の一構成例を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing an example of 1 composition of a resistance change element of a 1st embodiment. 第2の実施形態の抵抗変化素子の一構成例を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing an example of 1 composition of a resistance change element of a 2nd embodiment. 第3の実施形態の抵抗変化素子が半導体基板上の多層配線構造の内部に設けられた構成を模式的に示した部分断面図である。It is the fragmentary sectional view which showed typically the structure by which the resistance change element of 3rd Embodiment was provided in the inside of the multilayer wiring structure on a semiconductor substrate. 第3の実施形態の抵抗変化素子について、半導体基板上の多層配線構造の内部に設けるための製造方法を説明するための部分断面図である。It is a fragmentary sectional view for demonstrating the manufacturing method for providing the inside of the multilayer wiring structure on a semiconductor substrate about the resistance change element of 3rd Embodiment. 第3の実施形態の抵抗変化素子について、半導体基板上の多層配線構造の内部に設けるための製造方法を説明するための部分断面図である。It is a fragmentary sectional view for demonstrating the manufacturing method for providing the inside of the multilayer wiring structure on a semiconductor substrate about the resistance change element of 3rd Embodiment. 第3の実施形態の抵抗変化素子について、半導体基板上の多層配線構造の内部に設けるための製造方法を説明するための部分断面図である。It is a fragmentary sectional view for demonstrating the manufacturing method for providing the inside of the multilayer wiring structure on a semiconductor substrate about the resistance change element of 3rd Embodiment. 第3の実施形態の抵抗変化素子について、半導体基板上の多層配線構造の内部に設けるための製造方法を説明するための部分断面図である。It is a fragmentary sectional view for demonstrating the manufacturing method for providing the inside of the multilayer wiring structure on a semiconductor substrate about the resistance change element of 3rd Embodiment. 第3の実施形態の抵抗変化素子について、半導体基板上の多層配線構造の内部に設けるための製造方法を説明するための部分断面図である。It is a fragmentary sectional view for demonstrating the manufacturing method for providing the inside of the multilayer wiring structure on a semiconductor substrate about the resistance change element of 3rd Embodiment. 第3の実施形態の抵抗変化素子について、半導体基板上の多層配線構造の内部に設けるための製造方法を説明するための部分断面図である。It is a fragmentary sectional view for demonstrating the manufacturing method for providing the inside of the multilayer wiring structure on a semiconductor substrate about the resistance change element of 3rd Embodiment. 第3の実施形態の抵抗変化素子について、半導体基板上の多層配線構造の内部に設けるための製造方法を説明するための部分断面図である。It is a fragmentary sectional view for demonstrating the manufacturing method for providing the inside of the multilayer wiring structure on a semiconductor substrate about the resistance change element of 3rd Embodiment. 第3の実施形態の抵抗変化素子について、半導体基板上の多層配線構造の内部に設けるための製造方法を説明するための部分断面図である。It is a fragmentary sectional view for demonstrating the manufacturing method for providing the inside of the multilayer wiring structure on a semiconductor substrate about the resistance change element of 3rd Embodiment. 第3の実施形態の抵抗変化素子について、半導体基板上の多層配線構造の内部に設けるための製造方法を説明するための部分断面図である。It is a fragmentary sectional view for demonstrating the manufacturing method for providing the inside of the multilayer wiring structure on a semiconductor substrate about the resistance change element of 3rd Embodiment. 第3の実施形態の抵抗変化素子について、半導体基板上の多層配線構造の内部に設けるための製造方法を説明するための部分断面図である。It is a fragmentary sectional view for demonstrating the manufacturing method for providing the inside of the multilayer wiring structure on a semiconductor substrate about the resistance change element of 3rd Embodiment. 実施例1の抵抗変化素子と比較例について、1V印加時のオフリーク電流測定結果を示す表である。It is a table | surface which shows the off-leakage current measurement result at the time of 1V application about the resistance change element of Example 1, and a comparative example. 実施例1の抵抗変化素子と比較例について、リセット時の絶縁破壊電圧測定結果を示す表である。It is a table | surface which shows the dielectric breakdown voltage measurement result at the time of reset about the resistance change element of Example 1, and a comparative example. 実施例3の3端子型抵抗変化素子が半導体基板上の多層配線構造の内部に設けられた構成を模式的に示した部分断面図である。It is the fragmentary sectional view which showed typically the structure by which the 3 terminal type resistance change element of Example 3 was provided in the inside of the multilayer wiring structure on a semiconductor substrate.

本発明の実施形態を詳細に説明する前に、明細書中で用いる用語の意味を説明する。
半導体基板は、MOSトランジスタおよび抵抗素子を含む半導体素子、ならびにこれらの半導体素子が組み合わされた半導体装置が構成された基板を含む。また、半導体基板は、単結晶基板、SOI(Silicon on Insulator)基板やTFT(Thin Film Transistor)基板、液晶製造用基板などの基板も含む。
プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法とは、例えば、気体原料、または液体原料を気化させたものを減圧下の反応室に連続的に供給し、プラズマエネルギーによって、分子を励起状態にし、気相反応、または基板表面反応などによって基板上に連続膜を形成する手法である。
CMP(Chemical Mechanical Polishing)法とは、多層配線形成プロセス中に生じるウェハ表面の凹凸を、研磨液をウェハ表面に流しながら回転させた研磨パッドに接触させて研磨することによって平坦化する方法である。CMP法は、層間絶縁膜を研磨して平坦化する場合の他、ダマシン配線と呼ばれる埋め込み配線の形成にも用いられる。配線材料に銅(Cu)を用いる場合で、ダマシン配線の形成方法を簡単に説明する。予め溝が形成された絶縁膜上にCuを形成する。その後、CMP法によって、溝に埋め込まれたCuを残し、絶縁膜上の余剰のCuを研磨して除去する。このようにして、溝にCuが埋め込まれたダマシン配線が形成される。
Before describing embodiments of the present invention in detail, the meanings of terms used in the specification will be described.
The semiconductor substrate includes a substrate on which a semiconductor element including a MOS transistor and a resistance element and a semiconductor device in which these semiconductor elements are combined are configured. The semiconductor substrate also includes a substrate such as a single crystal substrate, an SOI (Silicon on Insulator) substrate, a TFT (Thin Film Transistor) substrate, or a liquid crystal manufacturing substrate.
The plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method is, for example, a gas material or a liquid material vaporized continuously supplied to a reaction chamber under reduced pressure, and the molecules are excited by plasma energy to cause a gas phase reaction. Alternatively, a continuous film is formed on the substrate by a substrate surface reaction or the like.
The CMP (Chemical Mechanical Polishing) method is a method of flattening the unevenness of the wafer surface that occurs during the multilayer wiring formation process by bringing the polishing liquid into contact with a rotating polishing pad while flowing the polishing liquid over the wafer surface and polishing it. . The CMP method is used not only for polishing and planarizing an interlayer insulating film, but also for forming a buried wiring called a damascene wiring. A method of forming damascene wiring will be briefly described in the case of using copper (Cu) as a wiring material. Cu is formed on the insulating film in which the groove is formed in advance. Thereafter, by the CMP method, the Cu buried in the trench is left, and excess Cu on the insulating film is polished and removed. In this way, a damascene wiring in which Cu is embedded in the groove is formed.

バリアメタルとは、配線を構成する金属元素が層間絶縁膜や下層へ拡散することを防止するために、配線の側面および底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜を示す。例えば、配線を構成する材料がCuを主成分とする金属である場合、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)、窒化チタン(TiN)、炭窒化タングステン(WCN)のような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜がバリアメタルとして使用される。これらの膜は、ドライエッチングによる加工が容易であり、配線材料としてCuが使用される前のLSI製造プロセスとの整合性がよい。
バリア絶縁膜とはCu配線の上面に形成され、Cuの酸化や絶縁膜中へのCuの拡散を防ぐ機能、および加工時にエッチングストッパ層としての役割を有する。例えば、SiC膜、SiCN膜、SiN膜またはこれらの積層膜などがバリア絶縁膜として用いられる。
以下に、本発明の好適な実施形態の抵抗変化素子およびその製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、各実施形態においては、本発明を実施するために技術的に好ましい形態で説明するが、発明の範囲は以下で説明される実施形態に限定されるものではない。
The barrier metal refers to a conductive film having a barrier property that covers the side and bottom surfaces of the wiring in order to prevent the metal elements constituting the wiring from diffusing into the interlayer insulating film or the lower layer. For example, when the material constituting the wiring is a metal mainly composed of Cu, a refractory metal such as tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN), titanium nitride (TiN), tungsten carbonitride (WCN), or the like A nitride or the like or a laminated film thereof is used as a barrier metal. These films are easy to process by dry etching and have good consistency with the LSI manufacturing process before Cu is used as a wiring material.
The barrier insulating film is formed on the upper surface of the Cu wiring and has a function of preventing Cu oxidation and diffusion of Cu into the insulating film and a role as an etching stopper layer during processing. For example, a SiC film, a SiCN film, a SiN film, or a laminated film thereof is used as the barrier insulating film.
Hereinafter, a variable resistance element and a manufacturing method thereof according to preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, although each embodiment will be described in a technically preferable form for carrying out the present invention, the scope of the invention is not limited to the embodiment described below.

(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態の抵抗変化素子の構成を説明する。
図1は第1の実施形態の抵抗変化素子の一構成例を示す部分断面図である。
本実施形態の抵抗変化素子は、第1電極1と、第2電極2と、第1電極1および第2電極2間に設けられた抵抗変化層3とを有する。抵抗変化層3はバッファ層4と固体電解質層5からなる。第1電極1はバッファ層4と接し、第2電極2は固体電解質層5と接している。第1電極1は、Cuを含み、第1電極1および第2電極2間に電圧が印加されると、銅をイオン化してバッファ層4および固体電解質層5内に注入する役目を果たす。バッファ層4はCuよりも酸化の自由エネルギーが負に大きいバルブメタルの酸化物からなる。バッファ層4は、少なくとも第1電極1に近い方から順に、第1金属酸化物層6および第2金属酸化物層7が積層された構成である。第2金属酸化物層7は不動態層である。
ここで、バルブメタルとは、一般的な陽極酸化処理によって、表面に酸化物層の被膜を形成する金属材料であり、酸化物被膜が無い場合に比べて化学耐性を増すものを指す。不動態層とは、金属材料に対して、その表面を、例えば、大気に暴露する、あるいは特定の化学処理を施すなどにより、表面近傍に形成される原子同士が緻密に結合される酸化物層である。そして、不動態層は、隣接する他の酸化物層からの酸素原子の金属材料内部への拡散を防止することで、金属材料の化学耐性を高める機能を有する。
本実施形態の抵抗変化素子においては、不動態層である第2金属酸化物層7によって、下層の第1金属酸化物層6の酸化度を制御しつつ、それよりも下層のCuを主成分とする第1電極1の表面酸化を低減する。そのため、リセット時の絶縁破壊電圧を向上させることができる。
また、未酸化のまま、第1金属酸化物層6を構成しなかった金属成分からなる層が残ったとしても、金属が下層のCuを主成分とする第1電極1のCuと合金化して電極内へ拡散する。そのため、第1電極1と第1金属酸化物層6の間には金属が残留せず、オフ状態におけるリーク電流を低減することができる。
以下に、図1に示した構成について詳しく説明する。
(First embodiment)
The configuration of the variable resistance element according to the first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a configuration example of the variable resistance element according to the first embodiment.
The resistance change element of the present embodiment includes a first electrode 1, a second electrode 2, and a resistance change layer 3 provided between the first electrode 1 and the second electrode 2. The resistance change layer 3 includes a buffer layer 4 and a solid electrolyte layer 5. The first electrode 1 is in contact with the buffer layer 4, and the second electrode 2 is in contact with the solid electrolyte layer 5. The first electrode 1 contains Cu, and when voltage is applied between the first electrode 1 and the second electrode 2, the first electrode 1 serves to ionize copper and inject it into the buffer layer 4 and the solid electrolyte layer 5. The buffer layer 4 is made of a valve metal oxide having a negative oxidation free energy larger than that of Cu. The buffer layer 4 has a configuration in which a first metal oxide layer 6 and a second metal oxide layer 7 are laminated in order from at least the side closer to the first electrode 1. The second metal oxide layer 7 is a passive layer.
Here, the valve metal is a metal material that forms a film of an oxide layer on the surface by a general anodizing treatment, and refers to a material that increases chemical resistance as compared with the case where there is no oxide film. A passive layer is an oxide layer in which atoms formed in the vicinity of a surface of a metal material are closely bonded by, for example, exposing the surface to the atmosphere or performing a specific chemical treatment. It is. The passive layer has a function of increasing the chemical resistance of the metal material by preventing diffusion of oxygen atoms from other adjacent oxide layers into the metal material.
In the resistance change element of the present embodiment, the second metal oxide layer 7 which is a passive layer controls the degree of oxidation of the lower first metal oxide layer 6, and the lower layer Cu is the main component. The surface oxidation of the first electrode 1 is reduced. Therefore, the breakdown voltage at reset can be improved.
Further, even if a layer made of a metal component that did not constitute the first metal oxide layer 6 remains unoxidized, the metal is alloyed with Cu of the first electrode 1 mainly composed of the underlying Cu. Diffuses into the electrode. Therefore, no metal remains between the first electrode 1 and the first metal oxide layer 6, and the leakage current in the off state can be reduced.
The configuration shown in FIG. 1 will be described in detail below.

第2金属酸化物層7は、アルミニウム(Al)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)のうち少なくとも一つを含む酸化物からなることが好ましい。第2金属酸化物層7を本構成とすることで、適切な表面酸化処理により不動態層として機能し、下層の第1金属酸化物層6を十分な酸化度にて構成することができ、かつCuを含む第1電極1の酸化を抑制することができる。その結果、リセット時の絶縁破壊電圧を向上させることができる。
また、第2金属酸化物層7は、Al、Nb、Taのうち少なくとも1つを含む酸化物で構成される。第2金属酸化物層7は、主成分がAlの酸化物である場合、その化学組成を、酸素組成x1を用いてAlOx1で表すと、x1は1.3≦x1≦1.5を満たすことが好ましい。本化学組成において、AlOx1が不動態層として機能し、下層のCuを含む第1電極1の酸化を抑制することができる。
また、第2金属酸化物層7は、主成分がNbの酸化物である場合、その化学組成を、酸素組成x2を用いてNbOx2を表すと、x2は1.8≦x2≦2.5を満たすことが好ましい。本化学組成において、NbOx2がAlOx1の場合と同様に不動態層として機能し、下層のCuを含む第1電極1の酸化を抑制することができる。さらに、第2金属酸化物層7は、主成分がTaの酸化物である場合、その化学組成を、酸素組成x3を用いてTaOx3で表すと、x3は1.8≦x3≦2.5を満たすことが好ましい。本化学組成において、TaOx3がAlOx1あるいはNbOx2の場合と同様に不動態層として機能し、下層のCuを含む第1電極1の酸化を抑制することができる。
なお、AlOx1におけるx1が1.5である場合、NbOx2におけるx2が2.5である場合、またはTaOx3におけるx3が2.5である場合は、いずれも化学両論的組成を取る酸化物となり、これよりも大きな酸素組成x1、x2、およびx3を有する酸化物は形成し得ない。
また、第2金属酸化物層7は、Al、Nb、Taのうちいずれか1つの酸化物を含むことに限定されず、これらの金属元素のうち2つ以上を含む酸化物であってもよい。
The second metal oxide layer 7 is preferably made of an oxide containing at least one of aluminum (Al), niobium (Nb), and tantalum (Ta). By configuring the second metal oxide layer 7 as this configuration, it can function as a passive layer by an appropriate surface oxidation treatment, and the first metal oxide layer 6 can be configured with a sufficient degree of oxidation. And the oxidation of the 1st electrode 1 containing Cu can be suppressed. As a result, the breakdown voltage at reset can be improved.
The second metal oxide layer 7 is made of an oxide containing at least one of Al, Nb, and Ta. When the main component of the second metal oxide layer 7 is an oxide of Al, when the chemical composition is expressed as AlOx1 using the oxygen composition x1, x1 satisfies 1.3 ≦ x1 ≦ 1.5. Is preferred. In this chemical composition, AlOx1 functions as a passive layer and can suppress oxidation of the first electrode 1 containing Cu in the lower layer.
Further, when the second metal oxide layer 7 is an oxide of Nb as a main component, the chemical composition is expressed as NbOx2 using the oxygen composition x2, and x2 satisfies 1.8 ≦ x2 ≦ 2.5. It is preferable to satisfy. In this chemical composition, the NbOx2 functions as a passive layer as in the case of AlOx1, and the oxidation of the first electrode 1 containing the underlying Cu can be suppressed. Further, when the second metal oxide layer 7 is an oxide of Ta as a main component, when the chemical composition is represented by TaOx3 using the oxygen composition x3, x3 satisfies 1.8 ≦ x3 ≦ 2.5. It is preferable to satisfy. In this chemical composition, TaOx3 functions as a passive layer as in the case of AlOx1 or NbOx2, and the oxidation of the first electrode 1 containing Cu in the lower layer can be suppressed.
In addition, when x1 in AlOx1 is 1.5, when x2 in NbOx2 is 2.5, or when x3 in TaOx3 is 2.5, all become oxides having a stoichiometric composition. An oxide having a larger oxygen composition x1, x2, and x3 cannot be formed.
The second metal oxide layer 7 is not limited to containing any one of Al, Nb, and Ta, and may be an oxide containing two or more of these metal elements. .

第1金属酸化物層6は、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)のうち少なくとも1つを含む酸化物で構成されることが好ましい。第1金属酸化物層6を本構成とすることで、リーク電流を低減しつつ、プログラミング電圧の増大を抑制できる。また、第1金属酸化物層6となる素の金属層のうち、未酸化の金属成分は、下層の第1電極1のCuと合金化して電極内に拡散し、好適な合金化層として機能する。
第1金属酸化物層6はTi、Zr、Hfのうち少なくとも1つを含む酸化物で構成される。第1金属酸化物層6は、主成分がTiの酸化物である場合、その化学組成を、酸素組成y1を用いてTiOy1で表すと、y1は1.5≦y1≦2.0を満たすことが好ましい。第1金属酸化物層6は、主成分がZrの酸化物である場合、その化学組成を、酸素組成y2を用いてZrOy2で表わすと、y2は1.5≦y2≦2.0を満たすことが好ましい。さらに、第1金属酸化物層6は、主成分がHfの酸化物である場合、その化学組成を、酸素組成y3を用いてHfOy3で表わすと、y3は1.5≦y3≦2.0を満たすことが好ましい。これらのいずれかの構成により、より効果的に、リーク電流を低減できるとともに、素子間特性ばらつきを低減できる。
なお、TiOy1におけるy1が2.0である場合、ZrOy2におけるy2が2.0である場合、またはHfOy3におけるy3が2.0である場合は、いずれも化学両論的組成を取る酸化物となり、これよりも大きな酸素組成y1、y2およびy3を有する酸化物は形成し得ない。
The first metal oxide layer 6 is preferably composed of an oxide containing at least one of titanium (Ti), zirconium (Zr), and hafnium (Hf). By making the first metal oxide layer 6 have this configuration, it is possible to suppress an increase in programming voltage while reducing leakage current. Further, in the elementary metal layer that becomes the first metal oxide layer 6, the unoxidized metal component is alloyed with Cu of the lower first electrode 1 and diffused into the electrode, and functions as a suitable alloyed layer. To do.
The first metal oxide layer 6 is composed of an oxide containing at least one of Ti, Zr, and Hf. When the first metal oxide layer 6 is an oxide of Ti, the chemical composition is expressed as TiOy1 using the oxygen composition y1, and y1 satisfies 1.5 ≦ y1 ≦ 2.0. Is preferred. When the first metal oxide layer 6 is an oxide of Zr as a main component, the chemical composition is expressed as ZrOy2 using the oxygen composition y2, and y2 satisfies 1.5 ≦ y2 ≦ 2.0. Is preferred. Further, when the first metal oxide layer 6 is an oxide whose main component is Hf, when the chemical composition is expressed by HfOy3 using the oxygen composition y3, y3 satisfies 1.5 ≦ y3 ≦ 2.0. It is preferable to satisfy. With any one of these configurations, the leakage current can be more effectively reduced, and variations in characteristics between elements can be reduced.
In addition, when y1 in TiOy1 is 2.0, y2 in ZrOy2 is 2.0, or y3 in HfOy3 is 2.0, all become oxides having a stoichiometric composition. An oxide having a larger oxygen composition y1, y2 and y3 cannot be formed.

第1電極1が第1金属酸化物層6と接する面には、第1金属酸化物層6に含まれる金属とCuとを含む合金が設けられていることが好ましい。本構成により、オン状態において抵抗変化層3内に形成される金属架橋が、その合金と同様に、第1金属酸化物層6に含まれる金属とCuとを含む合金で構成され、オン状態の保持特性を改善することができる。
また、第1金属酸化物層6を形成するための第1の金属の膜厚は0.7nm以下であることが好ましい。第2電極酸化物層7を形成するための第2の金属の膜厚は0.5nm以下であることが好ましい。このような膜厚構成とすることにより、第1の金属および第2の金属を酸化して、それぞれ第1金属酸化物層6および第2金属酸化物層7を形成できる。このような膜厚構成であれば、未酸化の第2の金属を残留させずに、第1の金属によるCuとの合金化および電極内への拡散を図れる。
固体電解質層5には、Ta、Ni、Ti、Zr、Hf、Si、Al、Fe、V、Mn、Co、Wのうち少なくとも1つを含む金属酸化物膜、SiOCH膜、もしくはカルコゲナイド膜、またはそれらの積層膜などを用いることが可能である。例えば、膜厚6nmのSiOCH膜が固体電解質層5として用いられる。
第2電極2には、Pt、Ir、Ru、Ta、RuTa、RuTi、TiN、TaN、HfN、ZrNのうち少なくとも1つを含む金属もしくは金属窒化物、またはそれらの積層膜などを用いることが可能である。例えば、RuTaが第2電極2として用いられる。
It is preferable that the surface of the first electrode 1 in contact with the first metal oxide layer 6 is provided with an alloy containing a metal contained in the first metal oxide layer 6 and Cu. With this configuration, the metal bridge formed in the resistance change layer 3 in the on state is composed of an alloy containing the metal contained in the first metal oxide layer 6 and Cu, as in the case of the alloy. The retention characteristics can be improved.
Moreover, it is preferable that the film thickness of the 1st metal for forming the 1st metal oxide layer 6 is 0.7 nm or less. The film thickness of the second metal for forming the second electrode oxide layer 7 is preferably 0.5 nm or less. By setting it as such a film thickness structure, a 1st metal and a 2nd metal can be oxidized, and the 1st metal oxide layer 6 and the 2nd metal oxide layer 7 can be formed, respectively. With such a film thickness configuration, the first metal can be alloyed with Cu and diffused into the electrode without leaving the unoxidized second metal.
The solid electrolyte layer 5 includes a metal oxide film containing at least one of Ta, Ni, Ti, Zr, Hf, Si, Al, Fe, V, Mn, Co, and W, a SiOCH film, or a chalcogenide film, or These laminated films can be used. For example, a 6 nm thick SiOCH film is used as the solid electrolyte layer 5.
For the second electrode 2, a metal or metal nitride containing at least one of Pt, Ir, Ru, Ta, RuTa, RuTi, TiN, TaN, HfN, and ZrN, or a laminated film thereof can be used. It is. For example, RuTa is used as the second electrode 2.

本実施形態の抵抗変化素子によれば、オフ状態におけるリーク電流を低減するとともに、リセット時の絶縁破壊電圧を改善することができる。
なお、第1金属酸化物層6と第2金属酸化物層7のそれぞれが本実施形態にて説明した膜厚および材料で構成されること、および第1金属酸化物層6と接する第1電極1の表面が第1金属酸化物層6に含まれる金属とCuとを含む合金であることは、種々の測定器で確認することが可能である。例えば、透過型電子線顕微鏡(TEM)観察、エネルギー分散型X線分光法、および電子エネルギー損失分光法により、その構成元素および化学組成を調べることで、上述した構成であることを確認できる。
また、本実施形態の抵抗変化素子の形成方法は第3の実施形態で詳細に説明し、本実施形態ではその説明を省略する。
According to the variable resistance element of this embodiment, it is possible to reduce the leakage current in the off state and improve the dielectric breakdown voltage at the time of reset.
Each of the first metal oxide layer 6 and the second metal oxide layer 7 is composed of the film thickness and material described in the present embodiment, and the first electrode is in contact with the first metal oxide layer 6. It can be confirmed with various measuring instruments that the surface of 1 is an alloy containing a metal contained in the first metal oxide layer 6 and Cu. For example, the above-described configuration can be confirmed by examining its constituent elements and chemical composition by transmission electron microscope (TEM) observation, energy dispersive X-ray spectroscopy, and electron energy loss spectroscopy.
The method for forming a variable resistance element according to this embodiment will be described in detail in the third embodiment, and the description thereof will be omitted in this embodiment.

(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態は、第1の実施形態で説明した第2金属酸化物層7と固体電解質層5との間に第3金属酸化物層を設けた構成である。
第2の実施形態の抵抗変化素子の構成を説明する。図2は第2の実施形態の抵抗変化素子の一構成例を示す部分断面図である。
図2に示すように、本実施形態の抵抗変化素子は、図1に示した抵抗変化素子において、第2金属酸化物層7と固体電解質層5の間に第3金属酸化物層8が設けられている。第3金属酸化物層8は第1金属酸化物層6と同一の金属元素を含む。
また、第3金属酸化物層8は、第1金属酸化物層6と同一の金属元素を含む構成に限らず、第1金属酸化物層6と同様に、Ti、Zr、Hfのうち少なくとも1つを含む酸化物であってもよい。第3金属酸化物層8は、主成分がTiの酸化物である場合、その化学組成を、酸素組成y1を用いてTiOy1で表わすと、y1は1.5≦y1≦2.0を満たす酸化物であってもよい。第3金属酸化物層8は、主成分がZrの酸化物である場合、その化学組成を、酸素組成y2を用いてZrOy2で表すと、y2は1.5≦y2≦2.0を満たす酸化物であってもよい。さらに、第3金属酸化物層8は、主成分がHfの酸化物である場合、その化学組成を、酸素組成y3を用いてHfOy3で表わすと、y3は1.5≦y3≦2.0を満たす酸化物であってもよい。
(Second Embodiment)
The second embodiment of the present invention has a configuration in which a third metal oxide layer is provided between the second metal oxide layer 7 and the solid electrolyte layer 5 described in the first embodiment.
The configuration of the variable resistance element according to the second embodiment will be described. FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a configuration example of the variable resistance element according to the second embodiment.
As shown in FIG. 2, the variable resistance element according to the present embodiment is the same as the variable resistance element shown in FIG. 1 except that a third metal oxide layer 8 is provided between the second metal oxide layer 7 and the solid electrolyte layer 5. It has been. The third metal oxide layer 8 contains the same metal element as the first metal oxide layer 6.
In addition, the third metal oxide layer 8 is not limited to the configuration containing the same metal element as the first metal oxide layer 6, and at least one of Ti, Zr, and Hf is the same as the first metal oxide layer 6. It may be an oxide containing two. When the third metal oxide layer 8 is an oxide of Ti as a main component, the chemical composition is expressed as TiOy1 using the oxygen composition y1, and y1 is an oxide that satisfies 1.5 ≦ y1 ≦ 2.0. It may be a thing. When the third metal oxide layer 8 is an oxide of Zr as a main component, when the chemical composition is expressed by ZrOy2 using the oxygen composition y2, y2 is an oxide that satisfies 1.5 ≦ y2 ≦ 2.0. It may be a thing. Further, when the third metal oxide layer 8 is an oxide whose main component is Hf, when the chemical composition is expressed by HfOy3 using the oxygen composition y3, y3 satisfies 1.5 ≦ y3 ≦ 2.0. The oxide which fills may be sufficient.

本実施形態における抵抗変化素子の構成により、不動態層となる第2金属酸化物層7の酸素拡散に対するバリア性を、第3金属酸化物層8により、より容易に制御することができる。
本実施形態における構成の膜厚および材料についても、第1の実施形態と同様に、測定器で調べることができる。第1金属酸化物層6および第2金属酸化物層7、ならびに第1金属酸化物層6に含まれる金属とCuとを含む合金に関する膜厚と材料の他に、第3金属酸化物層8の構成を種々の測定器で調べられる。例えば、透過型電子線顕微鏡(TEM)観察、エネルギー分散型X線分光法、および電子エネルギー損失分光法により、その構成元素および化学組成を調べることで、上述した構成であることを確認できる。
With the configuration of the resistance change element in the present embodiment, the barrier property against oxygen diffusion of the second metal oxide layer 7 serving as a passive layer can be more easily controlled by the third metal oxide layer 8.
As with the first embodiment, the film thickness and material of the configuration in the present embodiment can also be examined with a measuring instrument. In addition to the film thickness and material related to the first metal oxide layer 6 and the second metal oxide layer 7 and the alloy containing the metal and Cu contained in the first metal oxide layer 6, the third metal oxide layer 8 This configuration can be examined with various measuring instruments. For example, the above-described configuration can be confirmed by examining its constituent elements and chemical composition by transmission electron microscope (TEM) observation, energy dispersive X-ray spectroscopy, and electron energy loss spectroscopy.

(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施形態は、第1の実施形態で説明した抵抗変化素子を、半導体基板上に形成された多層配線構造の内部に設けた構成である。後述するが、本実施形態の抵抗変化素子では、第1電極がCu配線の役目を兼ねたCu電極である。
第3の実施形態の抵抗変化素子の構成を説明する。
図3は第3の実施形態の抵抗変化素子が半導体基板上の多層配線構造の内部に設けられた構成を模式的に示した部分断面図である。
図3に示すように、半導体基板101の上に第1層間絶縁膜102を介して抵抗変化素子126が設けられている。本実施形態の抵抗変化素子126は、下部配線106と、第1金属酸化物層121と、第2金属酸化物層122と、固体電解質層123と、第1上部電極124と、第2上部電極125とを有する。
下部配線106、第1金属酸化物層121、第2金属酸化物層122、固体電解質層123および第1上部電極124には、一例として、第1の実施形態で説明した構成を適用することが可能である。下部配線106は図1に示した第1電極1に相当する。第1金属酸化物層121は第1金属酸化物層6に相当し、第2金属酸化物層122は第2金属酸化物層7に相当する。固体電解質層123は固体電解質層5に相当し、第1上部電極124は第2電極2に相当する。これらの構成については第1の実施形態で説明した構成と同様なため、本実施形態では、その詳細な説明を省略する。
本実施形態においても、第1金属酸化物層121を設けることで、より効果的に、リーク電流の低減することができるとともに、素子間特性ばらつきを低減することができる。本実施形態では、第1金属酸化物層121は、例えば、膜厚0.5nmの酸素組成y1が1.5≦y1≦2.0を満たすTiOy1である。
また、第2金属酸化物層127が不動態層として機能し、下層のCuを含む第下部配線106の酸化を抑制することができる。本実施形態では、第2金属酸化物層122は、例えば、膜厚0.3nmの酸素組成x1が1.3≦x1≦1.5を満たすAlOx1である。
(Third embodiment)
The third embodiment of the present invention has a configuration in which the variable resistance element described in the first embodiment is provided inside a multilayer wiring structure formed on a semiconductor substrate. As will be described later, in the variable resistance element of this embodiment, the first electrode is a Cu electrode that also serves as a Cu wiring.
A configuration of the variable resistance element according to the third embodiment will be described.
FIG. 3 is a partial cross-sectional view schematically showing a configuration in which the variable resistance element according to the third embodiment is provided inside a multilayer wiring structure on a semiconductor substrate.
As shown in FIG. 3, a resistance change element 126 is provided on the semiconductor substrate 101 via the first interlayer insulating film 102. The variable resistance element 126 of the present embodiment includes a lower wiring 106, a first metal oxide layer 121, a second metal oxide layer 122, a solid electrolyte layer 123, a first upper electrode 124, and a second upper electrode. 125.
As an example, the configuration described in the first embodiment may be applied to the lower wiring 106, the first metal oxide layer 121, the second metal oxide layer 122, the solid electrolyte layer 123, and the first upper electrode 124. Is possible. The lower wiring 106 corresponds to the first electrode 1 shown in FIG. The first metal oxide layer 121 corresponds to the first metal oxide layer 6, and the second metal oxide layer 122 corresponds to the second metal oxide layer 7. The solid electrolyte layer 123 corresponds to the solid electrolyte layer 5, and the first upper electrode 124 corresponds to the second electrode 2. Since these configurations are the same as those described in the first embodiment, detailed description thereof is omitted in this embodiment.
Also in the present embodiment, by providing the first metal oxide layer 121, it is possible to more effectively reduce the leakage current and reduce the inter-element characteristic variation. In the present embodiment, the first metal oxide layer 121 is, for example, TiOy1 in which an oxygen composition y1 having a thickness of 0.5 nm satisfies 1.5 ≦ y1 ≦ 2.0.
In addition, the second metal oxide layer 127 functions as a passive layer, and the oxidation of the lower lower wiring 106 containing Cu in the lower layer can be suppressed. In the present embodiment, the second metal oxide layer 122 is, for example, AlOx1 in which the 0.3 nm-thickness oxygen composition x1 satisfies 1.3 ≦ x1 ≦ 1.5.

固体電解質層123は、例えば、膜厚6nmのSiOCH膜である。第1上部電極124は、例えば、膜厚10nmのRu0.5Ti0.5である。
第2上部電極125は、バリア性を有する導電性膜であり、下部で接する第1上部電極124に含まれる金属がビアプラグ144などに拡散することを防止するために形成される。例えば、膜厚25nmのTaである。
図3に示すように、抵抗変化素子126における、第1上部電極124および第2上部電極125の積層体の上に第2ハードマスク膜128および第3ハードマスク膜129が形成されている。第1金属酸化物層121、第2金属酸化物層122、固体電解質層123、第1上部電極124、第2上部電極125、第2ハードマスク膜128および第3ハードマスク膜129の側面と、第1バリア絶縁膜107の上面は、保護絶縁膜130で覆われている。
下部配線106は、第2層間絶縁膜103および第1キャップ絶縁膜104に形成された配線溝に第1バリアメタル105を介して埋め込まれた配線である。下部配線106は、Cuを主成分とする金属材料で構成することで、第1の実施形態における第1電極1に相当する下部電極として用いられる。この構成により、下部配線106に、下部配線106内のCu原子をイオン化して固体電解質層123中へ溶出させる機能を持たせることができる。さらに、下部配線106をCu材料構成とすることで、未酸化のまま第1金属酸化物層121を構成しなかった金属成分をCuと合金化して下部配線106内へ拡散させることができる。下部配線106に、例えば、Cuが用いられ、第1金属酸化物層121を構成する主成分がTiからなる酸化物である場合、下部配線106と第1金属酸化物層121の界面には、CuおよびTiを主成分とする合金化層が形成される。
The solid electrolyte layer 123 is a SiOCH film having a thickness of 6 nm, for example. The first upper electrode 124 is, for example, Ru 0.5 Ti 0.5 with a film thickness of 10 nm.
The second upper electrode 125 is a conductive film having a barrier property, and is formed to prevent the metal contained in the first upper electrode 124 in contact with the lower portion from diffusing into the via plug 144 or the like. For example, Ta with a film thickness of 25 nm.
As shown in FIG. 3, the second hard mask film 128 and the third hard mask film 129 are formed on the stacked body of the first upper electrode 124 and the second upper electrode 125 in the variable resistance element 126. Side surfaces of the first metal oxide layer 121, the second metal oxide layer 122, the solid electrolyte layer 123, the first upper electrode 124, the second upper electrode 125, the second hard mask film 128, and the third hard mask film 129; The upper surface of the first barrier insulating film 107 is covered with a protective insulating film 130.
The lower wiring 106 is a wiring embedded in the wiring trench formed in the second interlayer insulating film 103 and the first cap insulating film 104 via the first barrier metal 105. The lower wiring 106 is made of a metal material containing Cu as a main component, and is used as a lower electrode corresponding to the first electrode 1 in the first embodiment. With this configuration, the lower wiring 106 can have a function of ionizing Cu atoms in the lower wiring 106 and eluting them into the solid electrolyte layer 123. Furthermore, by forming the lower wiring 106 with a Cu material structure, a metal component that has not been formed in the first metal oxide layer 121 while being unoxidized can be alloyed with Cu and diffused into the lower wiring 106. For example, when Cu is used for the lower wiring 106 and the main component constituting the first metal oxide layer 121 is an oxide made of Ti, the interface between the lower wiring 106 and the first metal oxide layer 121 is An alloying layer mainly composed of Cu and Ti is formed.

固体電解質層123と下部配線106とは、第1金属酸化物層121および第2金属酸化物層122を介して、第1バリア絶縁膜107の開口部にて接続されている。このとき、固体電解質層123と金属酸化物層を介して接続する下部配線106の幅は、バリア絶縁膜107の開口部の直径よりも大きいことが好ましい。
第1バリアメタル105は、第2上部電極125と同様のバリア性を有する導電性膜である。第1バリアメタル105は、下部配線106に含まれる金属が第1層間絶縁膜102、第2層間絶縁膜103および第1キャップ絶縁膜104などへ拡散することを防止するために、下部配線106の側面および底面を被覆している。第1バリアメタル105には、例えば、下部配線106がCuを主成分とする金属元素からなる場合、Ta、TaN、TiN、WCNのような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜が用いられる。
上部配線145は、第3層間絶縁膜141および第2キャップ絶縁膜142に形成された配線溝に第2バリアメタル143を介して埋め込まれた配線である。上部配線145は、ビアプラグ144と一体になっている。ビアプラグ144は、保護絶縁膜130、第3ハードマスク膜129および第2ハードマスク膜128に形成された下穴に第2バリアメタル143を介して埋め込まれている。ビアプラグ144は、第2バリアメタル143を介して、抵抗変化素子126と電気的に接続されている。上部配線145およびビアプラグ144には、例えば、Cuが用いられる。
The solid electrolyte layer 123 and the lower wiring 106 are connected at the opening of the first barrier insulating film 107 via the first metal oxide layer 121 and the second metal oxide layer 122. At this time, the width of the lower wiring 106 connected to the solid electrolyte layer 123 through the metal oxide layer is preferably larger than the diameter of the opening of the barrier insulating film 107.
The first barrier metal 105 is a conductive film having a barrier property similar to that of the second upper electrode 125. The first barrier metal 105 is formed on the lower wiring 106 in order to prevent the metal contained in the lower wiring 106 from diffusing into the first interlayer insulating film 102, the second interlayer insulating film 103, the first cap insulating film 104, and the like. The side and bottom are covered. For example, when the lower wiring 106 is made of a metal element whose main component is Cu, the first barrier metal 105 includes a refractory metal such as Ta, TaN, TiN, and WCN, nitrides thereof, or a laminated film thereof. Is used.
The upper wiring 145 is a wiring embedded in a wiring groove formed in the third interlayer insulating film 141 and the second cap insulating film 142 via the second barrier metal 143. The upper wiring 145 is integrated with the via plug 144. The via plug 144 is embedded in a prepared hole formed in the protective insulating film 130, the third hard mask film 129, and the second hard mask film 128 via the second barrier metal 143. The via plug 144 is electrically connected to the resistance change element 126 via the second barrier metal 143. For example, Cu is used for the upper wiring 145 and the via plug 144.

第2バリアメタル143は、第1バリアメタル105と同様のバリア性を有する導電性膜である。第2バリアメタル143は、上部配線145およびビアプラグ144に含まれる金属が第1ビア層間絶縁膜140、第3層間絶縁膜141および第2キャップ絶縁膜142へ拡散することを防止するために、上部配線145およびビアプラグ144の側面および底面を被覆している。第2バリアメタル143には、例えば、上部配線145およびビアプラグ144がCuを主成分とする金属元素からなる場合には、第1バリアメタル105と同様に、Ta、TaN、TiN、WCNのような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜が用いられる。
第2バリアメタル143は、接触抵抗を低減する観点から、抵抗変化素子126の構成の一部である第2上部電極125と同一材料であることが好ましい。例えば、第2上部電極125がTaである場合、その上部に接触する第2バリアメタル143にはTaを用いることが好ましい。
第3ハードマスク膜129は、第2ハードマスク膜128をエッチングする際のハードマスクとなる膜である。第2ハードマスク膜128は、第3ハードマスク膜129と異なる種類の膜であることが好ましく、例えば、第2ハードマスク膜128がSiCN膜であれば、第3ハードマスク膜129にSiO2膜を用いることが可能である。
保護絶縁膜130は、側面が露出した抵抗変化素子126にダメージを与えることなく、さらに抵抗変化素子126から第1ビア層間絶縁膜140への構成原子の拡散を防ぐ機能を有する絶縁膜である。保護絶縁膜130には、例えば、SiN膜、SiCN膜等を用いることが可能である。第1バリア絶縁膜107および第2バリア絶縁膜146は金属の拡散を防ぐ機能を有する絶縁膜である。
The second barrier metal 143 is a conductive film having the same barrier properties as the first barrier metal 105. The second barrier metal 143 is formed on the upper wiring 145 and the via plug 144 to prevent the metal contained in the upper wiring 145 and the via plug 144 from diffusing into the first via interlayer insulating film 140, the third interlayer insulating film 141, and the second cap insulating film 142. The side surfaces and bottom surfaces of the wiring 145 and the via plug 144 are covered. In the second barrier metal 143, for example, when the upper wiring 145 and the via plug 144 are made of a metal element containing Cu as a main component, like the first barrier metal 105, Ta, TaN, TiN, WCN, etc. A refractory metal, a nitride thereof, or a laminated film thereof is used.
The second barrier metal 143 is preferably made of the same material as the second upper electrode 125 which is a part of the configuration of the variable resistance element 126 from the viewpoint of reducing contact resistance. For example, when the second upper electrode 125 is Ta, it is preferable to use Ta for the second barrier metal 143 in contact with the upper portion thereof.
The third hard mask film 129 is a film that serves as a hard mask when the second hard mask film 128 is etched. The second hard mask film 128 is preferably a different type of film from the third hard mask film 129. For example, if the second hard mask film 128 is a SiCN film, a SiO 2 film is used as the third hard mask film 129. It is possible to use.
The protective insulating film 130 is an insulating film having a function of preventing diffusion of constituent atoms from the variable resistance element 126 to the first via interlayer insulating film 140 without damaging the variable resistance element 126 whose side surface is exposed. As the protective insulating film 130, for example, a SiN film, a SiCN film, or the like can be used. The first barrier insulating film 107 and the second barrier insulating film 146 are insulating films having a function of preventing metal diffusion.

本実施形態では、図3に示すように、第1バリア絶縁膜107に設けられた開口部を介して第1電極1に相当する下部配線106と第1金属酸化物層121とが接する構成となる。この構成により、第1電極1としてCu配線を兼ねるCu電極を用いることができ、CMOS基板上多層配線構造内にCu電極を用いた抵抗変化素子が形成可能になる。抵抗変化素子の下部電極がCu配線の機能を兼ねることで、製造工程を簡略化することが可能となる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the lower wiring 106 corresponding to the first electrode 1 and the first metal oxide layer 121 are in contact with each other through the opening provided in the first barrier insulating film 107. Become. With this configuration, a Cu electrode serving also as a Cu wiring can be used as the first electrode 1, and a resistance change element using a Cu electrode can be formed in the multilayer wiring structure on the CMOS substrate. Since the lower electrode of the variable resistance element also functions as a Cu wiring, the manufacturing process can be simplified.

次に、本実施形態の抵抗変化素子の製造方法を、図3に示した構成の場合で説明する。
図4から図13は第3の実施形態の抵抗変化素子について、半導体基板上の多層配線構造の内部に設けるための製造方法を説明するための部分断面図である。
まず、半導体基板101上に第1層間絶縁膜102、第2層間絶縁膜103および第1キャップ絶縁膜104を順に形成する。ここでいう半導体基板101は、半導体基板そのものであってもよく、基板表面に半導体素子(不図示)が形成されている基板であってもよい。例えば、第1層間絶縁膜102は膜厚300nmのSiO2膜であり、第2層間絶縁膜103は膜厚150nmのSiOCH膜であり、第1キャップ絶縁膜104は膜厚100nmのSiO2膜である。
続いて、リソグラフィ法を用いて、第1キャップ絶縁膜104、第2層間絶縁膜103および第1層間絶縁膜102の積層膜に配線溝を形成する。このリソグラフィ法は、第1キャップ絶縁膜104の上に所定のパターンのレジストを形成するフォトレジスト形成処理、積層膜に対してレジストをマスクにして異方性エッチングを行うドライエッチング処理、および、エッチングにより配線溝を形成した後にレジストを除去する処理を含む。
その後、配線溝に第1バリアメタル105を介して金属を埋め込んで下部配線106を形成する。第1バリアメタル105の積層構造は、例えば、TaN(膜厚5nm)/Ta(膜厚5nm)である。下部配線106の材料は、例えば、Cuである。
Next, the manufacturing method of the variable resistance element according to the present embodiment will be described in the case of the configuration shown in FIG.
4 to 13 are partial cross-sectional views for explaining a manufacturing method for providing the variable resistance element according to the third embodiment inside the multilayer wiring structure on the semiconductor substrate.
First, a first interlayer insulating film 102, a second interlayer insulating film 103, and a first cap insulating film 104 are sequentially formed on the semiconductor substrate 101. The semiconductor substrate 101 here may be the semiconductor substrate itself or a substrate on which a semiconductor element (not shown) is formed on the surface of the substrate. For example, the first interlayer insulating film 102 is a 300 nm thick SiO 2 film, the second interlayer insulating film 103 is a 150 nm thick SiOCH film, and the first cap insulating film 104 is a 100 nm thick SiO 2 film.
Subsequently, a wiring trench is formed in the laminated film of the first cap insulating film 104, the second interlayer insulating film 103, and the first interlayer insulating film 102 by using a lithography method. This lithography method includes a photoresist forming process for forming a resist with a predetermined pattern on the first cap insulating film 104, a dry etching process for performing anisotropic etching on the laminated film using the resist as a mask, and an etching process. And a process of removing the resist after forming the wiring trench.
Thereafter, a metal is embedded in the wiring trench via the first barrier metal 105 to form the lower wiring 106. The laminated structure of the first barrier metal 105 is, for example, TaN (film thickness 5 nm) / Ta (film thickness 5 nm). The material of the lower wiring 106 is, for example, Cu.

続いて、下部配線106を含む第1キャップ絶縁膜104上に第1バリア絶縁膜107を形成する。第1バリア絶縁膜107は、例えば、膜厚30nmのSiCN膜である。次に、図4に示すように、第1バリア絶縁膜107上に第1ハードマスク膜108を形成する。第1ハードマスク膜108は、ドライエッチング加工におけるエッチング選択比を大きく保つ観点から、第1バリア絶縁膜107とは異なる材料であることが好ましい。ここでは、第1ハードマスク膜108として、例えば、SiO2膜を用いる。第1ハードマスク膜108の堆積膜厚は、例えば、膜厚40nmのSiO2膜である。
続いて、第1ハードマスク膜108上に、所定の開口部パターンを有するフォトレジストを形成し、ドライエッチングを行って第1ハードマスク膜108に開口部を形成する。O2プラズマアッシング等によってフォトレジストを剥離する。そして、第1ハードマスク膜108の開口部底部に露出している第1バリア絶縁膜107をエッチバックすることにより、下部配線106上面の一部を露出させる開口部を第1バリア絶縁膜107に形成する。第1ハードマスク膜108は、膜厚40nmに設定することで、このエッチバック中にエッチング除去される。このエッチバック後、図5に示すように、開口部底部に露出した下部配線106の表面を、有機溶剤、あるいは、H2または不活性ガスを含むガスを用いたプラズマ照射などによって清浄化する。
図4から図5の順に示した構造を形成するまでをステップA1とする。
Subsequently, a first barrier insulating film 107 is formed on the first cap insulating film 104 including the lower wiring 106. The first barrier insulating film 107 is, for example, a SiCN film having a film thickness of 30 nm. Next, as shown in FIG. 4, a first hard mask film 108 is formed on the first barrier insulating film 107. The first hard mask film 108 is preferably made of a material different from that of the first barrier insulating film 107 from the viewpoint of maintaining a high etching selectivity in the dry etching process. Here, for example, a SiO 2 film is used as the first hard mask film 108. The deposited film thickness of the first hard mask film 108 is, for example, a SiO 2 film having a film thickness of 40 nm.
Subsequently, a photoresist having a predetermined opening pattern is formed on the first hard mask film 108 and dry etching is performed to form openings in the first hard mask film 108. The photoresist is removed by O2 plasma ashing or the like. Then, the first barrier insulating film 107 exposed at the bottom of the opening of the first hard mask film 108 is etched back, so that an opening exposing a part of the upper surface of the lower wiring 106 is formed in the first barrier insulating film 107. Form. The first hard mask film 108 is removed by etching during this etch back by setting the film thickness to 40 nm. After this etch-back, as shown in FIG. 5, the surface of the lower wiring 106 exposed at the bottom of the opening is cleaned by plasma irradiation using an organic solvent or a gas containing H 2 or an inert gas.
Step A1 is performed until the structure shown in the order of FIGS. 4 to 5 is formed.

ステップA1において、第1バリア絶縁膜107の開口部を形成する際のエッチバックは、第1バリア絶縁膜107がSiN膜あるいはSiCN膜である場合、CF4を含むプラズマを用いることで行うが可能である。その条件は、例えば、CF4/Arのガス流量=25/50sccm、圧力0.53Pa、ソースパワー400W、基板バイアスパワー90Wの条件である。ソースパワーを低下、または基板バイアスを大きくすることで、エッチング時のイオン性を向上させ、第1バリア絶縁膜107側壁を傾斜したテーパー形状にすることができる。また、このエッチバックによって、第1ハードマスク膜108をエッチング除去することができる。 In step A1, the etch back when forming the opening of the first barrier insulating film 107 can be performed by using plasma containing CF 4 when the first barrier insulating film 107 is a SiN film or a SiCN film. It is. The conditions are, for example, the conditions of CF 4 / Ar gas flow rate = 25/50 sccm, pressure 0.53 Pa, source power 400 W, and substrate bias power 90 W. By reducing the source power or increasing the substrate bias, the ionicity at the time of etching can be improved, and the side wall of the first barrier insulating film 107 can be tapered. Further, the first hard mask film 108 can be removed by etching by this etch back.

次に、図6に示すように、下部配線106が露出した開口部を含む第1バリア絶縁膜107上に、第1金属酸化物層121を形成するための第1の金属層161、および第2金属酸化物層122を形成するための第2の金属層162をこの順に堆積する。第1の金属層161は、Ti、Zr、Hfのうち少なくとも1つを含む。第2の金属層162は、Al、Nb、Taのうち少なくとも1つを含む。一例として、第1の金属層161は膜厚0.5nmのTiであり、第2の金属層は膜厚0.2nmのAlである。
第1の金属層161および第2の金属層162を堆積後、減圧下にて、大気に暴露することなくO2を含むガス照射により、第1の金属層161および第2の金属層162の酸化処理を行う。続いて、減圧下にて成膜温度より高い温度で真空加熱処理を行うことで、図7に示すように、第1金属酸化物層121および第2金属酸化物層122を同時に形成する。
図6から図7の順に示した構造を形成するまでをステップA2とする。
Next, as shown in FIG. 6, the first metal layer 161 for forming the first metal oxide layer 121 on the first barrier insulating film 107 including the opening from which the lower wiring 106 is exposed, and the first A second metal layer 162 for forming the two metal oxide layer 122 is deposited in this order. The first metal layer 161 includes at least one of Ti, Zr, and Hf. The second metal layer 162 includes at least one of Al, Nb, and Ta. As an example, the first metal layer 161 is Ti with a thickness of 0.5 nm, and the second metal layer is Al with a thickness of 0.2 nm.
After the first metal layer 161 and the second metal layer 162 are deposited, the first metal layer 161 and the second metal layer 162 are oxidized by irradiation with a gas containing O 2 without exposure to the atmosphere under reduced pressure. Process. Subsequently, a vacuum heat treatment is performed under reduced pressure at a temperature higher than the film formation temperature, whereby the first metal oxide layer 121 and the second metal oxide layer 122 are formed simultaneously as shown in FIG.
Step A2 is the process until the structure shown in the order of FIGS.

ステップA2において、第1の金属層161および第2の金属層162は、金属原料の抵抗加熱、電子線照射、レーザー照射などによる蒸着法、DCスパッタリング法などにより堆積できる。一例として、第1の金属層161がTiである場合、DCスパッタリング法により、Tiをターゲットとして、スパッタパワー100W、基板温度は室温にて、Ar流量20sccm、圧力0.5Paの条件を用いることで、第1の金属層161を堆積することができる。また、第2の金属層162がAlである場合、DCスパッタリング法を用い、Alをターゲットとして、スパッタパワー150W、基板温度は室温にて、Ar流量20sccm、圧力0.5Paの条件を用いることで、第2の金属層162を堆積することができる。
また、ステップA2において、大気暴露することなくO2を含むガス照射による酸化処理を行うことで、第1の金属層161の酸化により形成される第1金属酸化物層121、および第2の金属層162の酸化により形成される第2金属酸化物層122の酸化度を精度よく制御することができる。一例として、第1の金属層161が膜厚0.5nmのTiであり、第2の金属層162が膜厚0.2nmのAlである場合、基板温度は室温にて、O2流量10sccm、圧力0.5Pa、照射時間60秒のO2ガス照射により、Tiの酸化物からなる第1金属酸化物層121、およびAlの酸化物からなる第2金属酸化物層122を形成することができる。
さらに、ステップA2において、前述の酸化処理後の加熱処理は、一例として、第1の金属層161が膜厚0.5nmのTiであり、第2の金属層が膜厚0.2nmのAlである場合、400℃以下の基板温度にて、N2およびO2各流量10/10sccm、圧力900Pa、処理時間30秒の条件で行うことが好ましい。この加熱処理によって、前述の酸化処理において未反応で残留した第1の金属層161内の金属成分を、Cuからなる下部電極106表面における合金化拡散により、除去することができる。また、真空は、チャンバー内の気圧を極力低くした状態を意味し、少なくとも上述の酸化処理よりも低圧である。第1金属酸化物層121の膜厚は1.0nm以下であることが好ましく、第2電極酸化物層122の膜厚は0.8nm以下であることが好ましい。
In Step A2, the first metal layer 161 and the second metal layer 162 can be deposited by vapor deposition using resistance heating, electron beam irradiation, laser irradiation, or the like of a metal raw material, DC sputtering, or the like. As an example, when the first metal layer 161 is Ti, DC sputtering is used, using Ti as a target, sputtering power of 100 W, substrate temperature at room temperature, Ar flow rate of 20 sccm, and pressure of 0.5 Pa. A first metal layer 161 can be deposited. Further, when the second metal layer 162 is Al, a DC sputtering method is used, using Al as a target, a sputtering power of 150 W, a substrate temperature of room temperature, an Ar flow rate of 20 sccm, and a pressure of 0.5 Pa. A second metal layer 162 can be deposited.
In Step A2, the first metal oxide layer 121 formed by the oxidation of the first metal layer 161 and the second metal layer are performed by performing the oxidation treatment by the gas irradiation including O 2 without being exposed to the atmosphere. The degree of oxidation of the second metal oxide layer 122 formed by the oxidation of 162 can be accurately controlled. As an example, when the first metal layer 161 is Ti with a thickness of 0.5 nm and the second metal layer 162 is Al with a thickness of 0.2 nm, the substrate temperature is room temperature, the O 2 flow rate is 10 sccm, and the pressure The first metal oxide layer 121 made of an oxide of Ti and the second metal oxide layer 122 made of an oxide of Al can be formed by O 2 gas irradiation of 0.5 Pa and an irradiation time of 60 seconds.
Further, in step A2, for example, the heat treatment after the oxidation treatment described above includes, as an example, the first metal layer 161 made of Ti with a thickness of 0.5 nm and the second metal layer made of Al with a thickness of 0.2 nm. In some cases, it is preferable that the substrate temperature be 400 ° C. or lower under conditions of N 2 and O 2 flow rates of 10/10 sccm, a pressure of 900 Pa, and a processing time of 30 seconds. By this heat treatment, the metal component in the first metal layer 161 remaining unreacted in the above oxidation treatment can be removed by alloying diffusion on the surface of the lower electrode 106 made of Cu. Further, the vacuum means a state where the atmospheric pressure in the chamber is as low as possible, and is at least a lower pressure than the above-described oxidation treatment. The thickness of the first metal oxide layer 121 is preferably 1.0 nm or less, and the thickness of the second electrode oxide layer 122 is preferably 0.8 nm or less.

次に、形成した第2金属酸化物層122上に、固体電解質層123を堆積する。固体電解質層123には、例えば、膜厚6nmのSiOCH膜が用いられる。この場合、固体電解質層123をプラズマCVD法によって堆積し、続いて不活性ガスプラズマ処理を行う。
続いて、固体電解質層123上にDCスパッタリング法により第1上部電極124および第2上部電極125をこの順に形成する。下部配線106、第1金属酸化物層121、第2金属酸化物層122、固体電解質層123、第1上部電極124および第2上部電極125は、抵抗変化素子126となる積層体を構成する。第1上部電極124は、例えば、膜厚10nmのRu0.5Ti0.5である。第2上部電極125は、例えば、膜厚25nmのTaである。なお、第1上部電極124がRuあるいはRu合金である場合、第1上部電極124の表面酸化を防止するため、第1上部電極124の堆積後に大気暴露することなく連続して第2上部電極125を堆積することが好ましい。
続いて、図8に示すように、第2上部電極125上に、第2ハードマスク膜128、および第3ハードマスク膜129をこの順に積層する。第2ハードマスク膜128は、密着性の観点から第1バリア絶縁膜107と同一材料を用いることが好ましく、例えば、膜厚30nmのSiCN膜である。第3のハードマスク膜129は、例えば、膜厚100nmのSiO2膜である。
図7に示した構造から図8に示した構造を形成するまでの工程をステップA3とする。
Next, the solid electrolyte layer 123 is deposited on the formed second metal oxide layer 122. For the solid electrolyte layer 123, for example, a SiOCH film having a thickness of 6 nm is used. In this case, the solid electrolyte layer 123 is deposited by a plasma CVD method, and then an inert gas plasma process is performed.
Subsequently, the first upper electrode 124 and the second upper electrode 125 are formed in this order on the solid electrolyte layer 123 by DC sputtering. The lower wiring 106, the first metal oxide layer 121, the second metal oxide layer 122, the solid electrolyte layer 123, the first upper electrode 124, and the second upper electrode 125 constitute a stacked body that becomes the resistance change element 126. The first upper electrode 124 is, for example, Ru0.5Ti0.5 having a thickness of 10 nm. The second upper electrode 125 is, for example, Ta with a film thickness of 25 nm. When the first upper electrode 124 is made of Ru or Ru alloy, the second upper electrode 125 is continuously exposed without being exposed to the atmosphere after the first upper electrode 124 is deposited in order to prevent surface oxidation of the first upper electrode 124. Is preferably deposited.
Subsequently, as shown in FIG. 8, the second hard mask film 128 and the third hard mask film 129 are stacked in this order on the second upper electrode 125. The second hard mask film 128 is preferably made of the same material as the first barrier insulating film 107 from the viewpoint of adhesion, and is, for example, a SiCN film having a thickness of 30 nm. The third hard mask film 129 is, for example, a SiO 2 film having a thickness of 100 nm.
The process from the structure shown in FIG. 7 to the structure shown in FIG. 8 is defined as step A3.

ステップA3において、固体電解質層123にSiOCH膜を用いた場合、プラズマCVD法で次のような条件で固体電解質層123を形成する。原料には液体SiOCHモノマー分子を用い、基板温度は400℃以下とし、He流量500〜2000sccm、原料流量0.1〜0.8g/min、プラズマCVDチャンバー圧力360〜700Pa、RFパワー20〜100Wにそれぞれ設定することで、固体電解質層123を堆積することができる。具体的には、基板温度350℃、He流量1500sccm、原料流量0.75g/min、プラズマCVDチャンバー圧力470Pa、RFパワー50Wの条件で、固体電解質層123を堆積することができる。また、固体電解質層123堆積後の不活性プラズマ処理は、不活性ガスとしてHeを用い、基板温度は400℃以下とし、He流量500〜1500sccm、プラズマチャンバー圧力2.7〜3.5Torr、RFパワー20〜200Wにそれぞれ設定することで行うことができる。具体的には、基板温度350℃、He流量1000sccm、プラズマチャンバー圧力360Pa、RFパワー50W、処理時間30秒の条件で行うことができる。この不活性プラズマ処理によって、次に堆積する第1上部電極124との密着性を改善することができる。   In step A3, when a SiOCH film is used for the solid electrolyte layer 123, the solid electrolyte layer 123 is formed under the following conditions by the plasma CVD method. Liquid SiOCH monomer molecules are used as the raw material, the substrate temperature is 400 ° C. or less, the He flow rate is 500 to 2000 sccm, the raw material flow rate is 0.1 to 0.8 g / min, the plasma CVD chamber pressure is 360 to 700 Pa, and the RF power is 20 to 100 W. By setting each, the solid electrolyte layer 123 can be deposited. Specifically, the solid electrolyte layer 123 can be deposited under conditions of a substrate temperature of 350 ° C., a He flow rate of 1500 sccm, a raw material flow rate of 0.75 g / min, a plasma CVD chamber pressure of 470 Pa, and an RF power of 50 W. In addition, the inert plasma treatment after the deposition of the solid electrolyte layer 123 uses He as an inert gas, the substrate temperature is set to 400 ° C. or less, the He flow rate is 500 to 1500 sccm, the plasma chamber pressure is 2.7 to 3.5 Torr, and the RF power. This can be done by setting each of 20 to 200 W. Specifically, it can be performed under the conditions of a substrate temperature of 350 ° C., a He flow rate of 1000 sccm, a plasma chamber pressure of 360 Pa, an RF power of 50 W, and a processing time of 30 seconds. By this inert plasma treatment, the adhesion with the first upper electrode 124 to be deposited next can be improved.

また、ステップA3において、第1上部電極124は、例えば、Ru0.5Ti0.5を用いる場合、RuおよびTiをターゲットとした同時DCスパッタリングにより、Ruのスパッタパワー120W、Tiのスパッタパワー150W、基板温度は室温にて、Ar流量20sccm、圧力0.5Paの条件を用いることで、堆積することができる。また、第2上部電極125が膜厚25nmのTaである場合、DCスパッタリングにより、Taをターゲットとして、スパッタパワー300W、基板温度は室温にて、Ar流量25sccm、圧力0.5Paの条件を用いることでそれぞれ堆積することができる。
また、ステップA3において、第2ハードマスク膜128および第3ハードマスク膜129は、いずれも半導体製造の技術分野における一般的なプラズマCVD法を用いて形成することができる。成膜温度は200℃〜400℃の範囲を選択することが可能である。ここでは、成膜温度を350℃とした。
In Step A3, for example, when Ru 0.5 Ti 0.5 is used, the first upper electrode 124 has Ru sputtering power 120 W, Ti sputtering power 150 W, and substrate temperature by simultaneous DC sputtering using Ru and Ti as targets. The deposition can be performed at room temperature by using an Ar flow rate of 20 sccm and a pressure of 0.5 Pa. When the second upper electrode 125 is Ta having a film thickness of 25 nm, DC sputtering is performed using Ta as a target, sputtering power of 300 W, substrate temperature at room temperature, Ar flow rate of 25 sccm, and pressure of 0.5 Pa. Can be deposited respectively.
In Step A3, both the second hard mask film 128 and the third hard mask film 129 can be formed by using a general plasma CVD method in the technical field of semiconductor manufacturing. The film forming temperature can be selected in the range of 200 ° C to 400 ° C. Here, the film formation temperature was 350 ° C.

次に、第3ハードマスク膜129上に、抵抗変化素子126の加工パターンを有するフォトレジストを形成後、第2ハードマスク膜128が表れるまで第3ハードマスク膜129をドライエッチングする。続いて。O2プラズマアッシング処理によりフォトレジストを除去した後、第3ハードマスク膜129をマスクとして、第2ハードマスク膜128、第2上部電極125、第1上部電極124、固体電解質層123、第2金属酸化物層122、および第1金属酸化物層121を連続的にドライエッチングする。図9はそのエッチング後の状態を示す。
図8に示した構造から図9に示した構造を形成するまでの工程をステップA4とする。
Next, after forming a photoresist having a processing pattern of the resistance change element 126 on the third hard mask film 129, the third hard mask film 129 is dry-etched until the second hard mask film 128 appears. continue. After removing the photoresist by the O 2 plasma ashing process, the second hard mask film 128, the second upper electrode 125, the first upper electrode 124, the solid electrolyte layer 123, the second metal oxide, using the third hard mask film 129 as a mask. The physical layer 122 and the first metal oxide layer 121 are continuously dry etched. FIG. 9 shows the state after the etching.
The process from the structure shown in FIG. 8 to the structure shown in FIG. 9 is defined as step A4.

ステップA4において、第3ハードマスク膜129のドライエッチングは、第2ハードマスク膜128の上面または内部で停止していることが好ましい。この場合、抵抗変化素子126は第2ハードマスク膜128よって被覆されているため、O2プラズマ中に暴露されることはない。また、Ruを含む第1上部電極124についてもO2プラズマに暴露されることがないため、第1上部電極124に対するサイドエッチの発生を抑制することができる。なお、第3ハードマスク膜129のドライエッチングは、一般的な平行平板型のドライエッチング装置を用いることができる。
また、ステップA4において、第2ハードマスク膜128、第2上部電極125、第1上部電極124、固体電解質層123、第2金属酸化物層122、および第1金属酸化物層121の各エッチングについても、平行平板型のドライエッチャーを用いて一括して行うことができる。
第2ハードマスク膜128(例えば、SiCN)のエッチングは、CF4/Arのガス流量=25/50sccm、圧力0.53Pa、ソースパワー400W、基板バイアスパワー90Wの条件で行うことができる。
In step A4, the dry etching of the third hard mask film 129 is preferably stopped on the upper surface or inside the second hard mask film 128. In this case, since the variable resistance element 126 is covered with the second hard mask film 128, it is not exposed to the O 2 plasma. Further, since the first upper electrode 124 containing Ru is not exposed to O 2 plasma, the occurrence of side etching on the first upper electrode 124 can be suppressed. The third hard mask film 129 can be dry etched using a general parallel plate type dry etching apparatus.
In step A4, each etching of the second hard mask film 128, the second upper electrode 125, the first upper electrode 124, the solid electrolyte layer 123, the second metal oxide layer 122, and the first metal oxide layer 121 is performed. Also, it can be performed collectively using a parallel plate type dry etcher.
Etching of the second hard mask film 128 (for example, SiCN) can be performed under the conditions of a gas flow rate of CF 4 / Ar = 25/50 sccm, a pressure of 0.53 Pa, a source power of 400 W, and a substrate bias power of 90 W.

また、ステップA4において、第2上部電極125(例えば、Ta)のエッチングは、基板温度90℃、Cl2ガス流量=50sccmにて圧力0.53Pa、ソースパワー400W、基板バイアスパワー60Wの条件で行うことができる。
また、第1上部電極124(例えば、Ru0.5Ti0.5)のエッチングは、基板温度は室温、O2/Cl2ガス流量=160/30sccmにて圧力0.53Pa、ソースパワー300〜600W、基板バイアスパワー100〜300Wの条件で行うことができる。
また、固体電解質層123(例えば、SiOCH)のエッチングは、第1上部電極124にRu0.5Ti0.5を用いた場合、第1上部電極124のエッチングと同条件で行うことができる。したがって、第1上部電極124と一括してエッチングを行うこともできる。
また、第2金属酸化物層122(例えば、膜厚0.3nmの酸素組成x1が1.3≦x1≦1.5を満たすAlOx1)、および第1金属酸化物層121(例えば、膜厚0.5nmの酸素組成y1が1.5≦y1≦2.0を満たすTiOy1)のエッチングについても、第1上部電極124にRu0.5Ti0.5を用いた場合の固体電解質層123と同様に、第1上部電極124のエッチングと同条件で行うことができる。したがって、第1上部電極124および固体電解質層123と一括してエッチングを行うこともできる。
また、ステップA4において、上述の条件にて、第2ハードマスク膜128、第2上部電極125、第1上部電極124、固体電解質層123、第2金属酸化物層122、および第1金属酸化物層121の各エッチングを行った後、第3ハードマスク膜129の残り膜厚は50nmとすることができる。
In Step A4, the etching of the second upper electrode 125 (for example, Ta) is performed under the conditions of a substrate temperature of 90 ° C., a Cl 2 gas flow rate = 50 sccm, a pressure of 0.53 Pa, a source power of 400 W, and a substrate bias power of 60 W. Can do.
Etching of the first upper electrode 124 (eg, Ru0.5Ti0.5) is performed at a substrate temperature of room temperature, an O2 / Cl2 gas flow rate = 160/30 sccm, a pressure of 0.53 Pa, a source power of 300 to 600 W, and a substrate bias power. It can carry out on the conditions of 100-300W.
The solid electrolyte layer 123 (for example, SiOCH) can be etched under the same conditions as the etching of the first upper electrode 124 when Ru 0.5 Ti 0.5 is used for the first upper electrode 124. Therefore, etching can be performed together with the first upper electrode 124.
Further, the second metal oxide layer 122 (for example, AlOx1 in which the 0.3 nm-thickness oxygen composition x1 satisfies 1.3 ≦ x1 ≦ 1.5) and the first metal oxide layer 121 (for example, the thickness of 0 Similarly to the solid electrolyte layer 123 in the case where Ru 0.5 Ti 0.5 is used for the first upper electrode 124, the etching of TiOy1) in which the oxygen composition y1 of 0.5 nm satisfies 1.5 ≦ y1 ≦ 2.0 is also performed in the first The etching can be performed under the same conditions as the etching of the upper electrode 124. Therefore, etching can be performed together with the first upper electrode 124 and the solid electrolyte layer 123.
In Step A4, the second hard mask film 128, the second upper electrode 125, the first upper electrode 124, the solid electrolyte layer 123, the second metal oxide layer 122, and the first metal oxide are formed under the above-described conditions. After each etching of the layer 121, the remaining thickness of the third hard mask film 129 can be 50 nm.

次に、第3ハードマスク膜129、第2ハードマスク膜128、第2上部電極125、第1上部電極124、固体電解質層123、第2金属酸化物層122、および第1金属酸化物層121ならびに第1バリア絶縁膜107からなる積層構造の上部および側壁部に、保護絶縁膜130を堆積する。保護絶縁膜130は、第1バリア絶縁膜107および第2ハードマスク膜128と同一材料を用いることが好ましく、例えば、膜厚30nmのSiCN膜である。
続いて、図10に示すように、保護絶縁膜130上に、プラズマCVD法を用いて第1ビア層間絶縁膜140を堆積する。第1ビア層間絶縁膜140は、例えば、膜厚210nmのSiO2膜である。次に、CMP法を用いて、第1ビア層間絶縁膜140を平坦化する。平坦化後、図11に示すように、第1ビア層間絶縁膜140上に、第3層間絶縁膜141、および第2キャップ絶縁膜142をこの順に堆積する。第3層間絶縁膜141は、エッチング加工時に下部で接する第1ビア層間絶縁膜140をエッチングストッパ層とするために、第1ビア層間絶縁膜140とは異なる材料が用いられる。第3層間絶縁膜141は、例えば、膜厚150nmのSiOCH膜である。
図9に示した構造から図11に示した構造を形成するまでの工程をステップA5とする。
Next, the third hard mask film 129, the second hard mask film 128, the second upper electrode 125, the first upper electrode 124, the solid electrolyte layer 123, the second metal oxide layer 122, and the first metal oxide layer 121. In addition, a protective insulating film 130 is deposited on the upper portion and side wall portion of the laminated structure including the first barrier insulating film 107. The protective insulating film 130 is preferably made of the same material as the first barrier insulating film 107 and the second hard mask film 128, and is, for example, a SiCN film having a thickness of 30 nm.
Subsequently, as shown in FIG. 10, a first via interlayer insulating film 140 is deposited on the protective insulating film 130 using a plasma CVD method. The first via interlayer insulating film 140 is, for example, a SiO 2 film having a thickness of 210 nm. Next, the first via interlayer insulating film 140 is planarized using a CMP method. After the planarization, as shown in FIG. 11, a third interlayer insulating film 141 and a second cap insulating film 142 are deposited in this order on the first via interlayer insulating film 140. The third interlayer insulating film 141 is made of a material different from that of the first via interlayer insulating film 140 in order to use the first via interlayer insulating film 140 that is in contact with the lower portion during the etching process as an etching stopper layer. The third interlayer insulating film 141 is a SiOCH film having a thickness of 150 nm, for example.
The process from the structure shown in FIG. 9 to the structure shown in FIG. 11 is defined as step A5.

ステップA5において、保護絶縁膜130は、例えばSiCN膜を用いる場合、テトラメチルシランとアンモニアを原料ガスとし、基板温度200℃にて、プラズマCVD法を用いて形成することができる。この保護絶縁膜130の形成により、第1バリア絶縁膜107、保護絶縁膜130、および第2ハードマスク膜128はSiCN膜で同一材料として抵抗変化素子126の周囲を一体化し保護することで、界面の密着性が向上し、吸湿性や耐水性、酸素脱離耐性を向上でき、素子の歩留まりと信頼性を向上することができる。
また、ステップA5において、第1ビア層間絶縁膜140の平坦化では、第1ビア層間絶縁膜140の頂面から約100nmを削り取り、残膜を約110nmとすることができる。このとき、第1ビア層間絶縁膜140に対するCMPでは、一般的な、コロイダルシリカ、あるいはセリア系のスラリーを用いて研磨することができる。
また、ステップA5において、第3層間絶縁膜141および第2キャップ絶縁膜142は、一般的なプラズマCVD法を用いて堆積することができる。
In Step A5, when using a SiCN film, for example, the protective insulating film 130 can be formed by plasma CVD using tetramethylsilane and ammonia as source gases and a substrate temperature of 200 ° C. By forming this protective insulating film 130, the first barrier insulating film 107, the protective insulating film 130, and the second hard mask film 128 are SiCN films made of the same material, and the periphery of the resistance change element 126 is integrated to protect the interface. Thus, the moisture absorption, water resistance and oxygen desorption resistance can be improved, and the yield and reliability of the device can be improved.
Further, in step A5, in the planarization of the first via interlayer insulating film 140, about 100 nm can be removed from the top surface of the first via interlayer insulating film 140, and the remaining film can be made about 110 nm. At this time, the CMP for the first via interlayer insulating film 140 can be polished using a general colloidal silica or ceria-based slurry.
In step A5, the third interlayer insulating film 141 and the second cap insulating film 142 can be deposited using a general plasma CVD method.

次に、デュアルダマシン法のビアファースト法を用いて、図3に示した上部配線145、およびビアプラグ144を形成する。
ビアファースト法においては、まず、第2キャップ絶縁膜142上に、図3に示したビアプラグ144用のビアホール147のパターンを有するフォトレジストを形成する。続いて、ドライエッチングにより、第2キャップ絶縁膜142、第3層間絶縁膜141、第1ビア層間膜140、保護絶縁膜130、および第3ハードマスク膜129を貫通した、図3に示したビアプラグ144用のビアホール147を形成する。その後、図12に示すように、H2ガスを含むプラズマアッシングと有機剥離を行うことで、フォトレジストを除去する。
続いて、第2キャップ絶縁膜142上に、図3に示した上部配線145用の配線溝148のパターンを有するフォトレジストを形成後、ドライエッチングにより、第2キャップ絶縁膜142および第3層間絶縁膜141に図3に示した上部配線145用の配線溝148を形成する。その後、図13に示すように、H2ガスを含むプラズマアッシングと有機剥離を行うことで、フォトレジストを除去する。
図11に示した構造から図13に示した構造を形成するまでの工程をステップA6とする。
ステップA6において、ビアホール147を形成後、ビアホール上にARC(Anti−Reflection Coating;反射防止膜)などを埋め込んでおくことで、ドライエッチングによる配線溝148の形成時に、上部ビアホール147底部の突き抜けを防止することができる。
Next, the upper wiring 145 and the via plug 144 shown in FIG. 3 are formed by using a dual damascene via first method.
In the via first method, first, a photoresist having the pattern of the via hole 147 for the via plug 144 shown in FIG. 3 is formed on the second cap insulating film 142. Subsequently, the via plug shown in FIG. 3 penetrating through the second cap insulating film 142, the third interlayer insulating film 141, the first via interlayer film 140, the protective insulating film 130, and the third hard mask film 129 by dry etching. A via hole 147 for 144 is formed. Then, as shown in FIG. 12, the photoresist is removed by performing plasma ashing including H 2 gas and organic peeling.
Subsequently, after forming a photoresist having the pattern of the wiring groove 148 for the upper wiring 145 shown in FIG. 3 on the second cap insulating film 142, the second cap insulating film 142 and the third interlayer insulation are formed by dry etching. A wiring groove 148 for the upper wiring 145 shown in FIG. Thereafter, as shown in FIG. 13, the photoresist is removed by performing plasma ashing including H 2 gas and organic peeling.
The process from the structure shown in FIG. 11 to the structure shown in FIG. 13 is defined as step A6.
In step A6, after forming the via hole 147, an ARC (Anti-Reflection Coating; antireflection film) or the like is buried on the via hole, thereby preventing the bottom via hole from being penetrated at the time of forming the wiring groove 148 by dry etching. can do.

次に、ビアホール147底部の第2ハードマスク膜128をエッチングすることで、ビアホール147から第2上部電極125を露出させる。その後、配線溝148およびビアホール147内に第2バリアメタル143(例えば、膜厚10nmのTa)を介して上部配線145(例えば、Cu)およびビアプラグ144(例えば、Cu)を同時に形成する。その後、上部配線145を含む第2キャップ絶縁膜142上に第2バリア絶縁膜146(例えば、50nmのSiCN膜)を堆積することで、図3に示した構造が形成される。
図13に示した構造から図3に示した構造を形成するまでの工程をステップA7とする。
ステップA7において、上部配線145の形成は、下層の下部配線106形成と同様のプロセスを用いることができる。このとき、ビアプラグ144の底径は、第1バリア絶縁膜107の開口部径よりも小さくしておくことが好ましい。本実施形態では、例えば、ビアプラグ144の底部の直径は60nm、第1バリア絶縁膜107の開口部の直径は100nmとする。
また、ステップA7において、第2バリアメタル143と第2上部電極125を同一材料とすることで、ビアプラグ144と第2上部電極125の間の接触抵抗を低減し、オン状態にある抵抗変化素子126の抵抗を低減できる。その結果、素子性能を向上させることができる。
Next, the second upper electrode 125 is exposed from the via hole 147 by etching the second hard mask film 128 at the bottom of the via hole 147. Thereafter, an upper wiring 145 (for example, Cu) and a via plug 144 (for example, Cu) are simultaneously formed in the wiring trench 148 and the via hole 147 through a second barrier metal 143 (for example, Ta having a thickness of 10 nm). Thereafter, a second barrier insulating film 146 (for example, a 50 nm SiCN film) is deposited on the second cap insulating film 142 including the upper wiring 145, thereby forming the structure shown in FIG.
The process from the structure shown in FIG. 13 to the structure shown in FIG. 3 is defined as step A7.
In step A7, the formation of the upper wiring 145 can use the same process as the formation of the lower wiring 106 in the lower layer. At this time, the bottom diameter of the via plug 144 is preferably made smaller than the opening diameter of the first barrier insulating film 107. In the present embodiment, for example, the diameter of the bottom of the via plug 144 is 60 nm, and the diameter of the opening of the first barrier insulating film 107 is 100 nm.
In step A7, the second barrier metal 143 and the second upper electrode 125 are made of the same material, thereby reducing the contact resistance between the via plug 144 and the second upper electrode 125, and the variable resistance element 126 in the on state. Resistance can be reduced. As a result, device performance can be improved.

次に、上述した抵抗変化素子の実施例について説明する。   Next, examples of the variable resistance element described above will be described.

本実施例は、第3の実施形態の抵抗変化素子126について、第1金属酸化物層121および第2金属酸化物層122の組み合わせの異なる素子を作製し、これらの素子の特性を評価した。
本実施例では、第3の実施形態の抵抗変化素子126を基本構造として、第1金属酸化物層121および第2金属酸化物層122の組み合わせの異なる9種類の抵抗変化素子を作製した。具体的には、Cuを主成分とする下部配線106上に形成した第1金属酸化物層121および第2金属酸化物層122の組み合わせは、TiOy1/AlOx1、TiOy1/NbOx2、TiOy1/TaOx3、ZrOy2/AlOx1、ZrOy2/NbOx2、ZrOy2/TaOx3、HfOy3/AlOx1、HfOy3/NbOx2、HfOy3/TaOx3の9種類である。
第1金属酸化物121を形成するための第1の金属層の膜厚は0.5nm、第2金属酸化物122を形成するための第2の金属層の膜厚は0.2nmとした。固体電解質層は膜厚6nmのSiOCH膜である。
また、本実施例の抵抗変化素子と特性を比較するための比較例となる抵抗変化素子を準備した。比較例の抵抗変化素子は、バッファ層に設けられる金属酸化物を、第1金属酸化物層121(TiOy1、ZrOy2、およびHfOy3)および第2金属酸化物層122(AlOx1、NbOx2、およびTaOx3)のうち、いずれか一方のみを有する構成とし、その膜厚を0.7nmとした。
In this example, elements having different combinations of the first metal oxide layer 121 and the second metal oxide layer 122 were produced for the variable resistance element 126 of the third embodiment, and the characteristics of these elements were evaluated.
In this example, nine types of variable resistance elements having different combinations of the first metal oxide layer 121 and the second metal oxide layer 122 were manufactured using the variable resistance element 126 of the third embodiment as a basic structure. Specifically, the combination of the first metal oxide layer 121 and the second metal oxide layer 122 formed on the lower wiring 106 containing Cu as a main component is TiOy1 / AlOx1, TiOy1 / NbOx2, TiOy1 / TaOx3, ZrOy2. There are nine types: / AlOx1, ZrOy2 / NbOx2, ZrOy2 / TaOx3, HfOy3 / AlOx1, HfOy3 / NbOx2, and HfOy3 / TaOx3.
The film thickness of the first metal layer for forming the first metal oxide 121 was 0.5 nm, and the film thickness of the second metal layer for forming the second metal oxide 122 was 0.2 nm. The solid electrolyte layer is a 6 nm thick SiOCH film.
In addition, a resistance change element serving as a comparative example for comparing characteristics with the resistance change element of this example was prepared. In the resistance change element of the comparative example, the metal oxide provided in the buffer layer is made of the first metal oxide layer 121 (TiOy1, ZrOy2, and HfOy3) and the second metal oxide layer 122 (AlOx1, NbOx2, and TaOx3) Among these, it was set as the structure which has only any one, and the film thickness was 0.7 nm.

次に、本実施例の抵抗変化素子と比較例の抵抗変化素子について、リーク電流および絶縁破壊電圧を評価した結果を説明する。
図14は、本実施例の抵抗変化素子と比較例について、1V印加時のオフリーク電流測定結果を示す表である。図14に示す数値の単位はアンペア(A)である。
図14に示すように、本実施例の抵抗変化素子では、第1金属酸化物層121と第2金属酸化物層122のいずれの組み合わせにおいても、第1金属酸化物層121のみの比較例に比べて、オフリーク電流の低減が認められた。
図15は、本実施例の抵抗変化素子と比較例について、リセット時の絶縁破壊電圧測定結果を示す表である。図15に示す数値の単位はボルト(V)である。
図15に示すように、リセット時の絶縁破壊耐圧についても、本実施例の抵抗変化素子の方が、第1金属酸化物層121または第2金属酸化物層122のみの比較例に比べて改善することがわかった。
Next, the results of evaluating the leakage current and the breakdown voltage of the variable resistance element of this example and the variable resistance element of the comparative example will be described.
FIG. 14 is a table showing measurement results of off-leakage current when 1 V is applied for the variable resistance element of this example and the comparative example. The unit of the numerical values shown in FIG. 14 is ampere (A).
As shown in FIG. 14, in the variable resistance element of this example, in any combination of the first metal oxide layer 121 and the second metal oxide layer 122, only the first metal oxide layer 121 is used as a comparative example. In comparison, a reduction in off-leakage current was observed.
FIG. 15 is a table showing the breakdown voltage measurement results at reset for the variable resistance element of this example and the comparative example. The unit of the numerical values shown in FIG. 15 is volts (V).
As shown in FIG. 15, the breakdown voltage at reset is also improved in the resistance change element of this example compared to the comparative example in which only the first metal oxide layer 121 or the second metal oxide layer 122 is used. I found out that

本実施例は、図3に示した抵抗変化素子126に第2の実施形態の構成を適用し、第1金属酸化物層121および第2金属酸化物層122の組み合わせの異なる素子を作製し、これらの素子の特性を評価した。
本実施例では、第3の実施形態の抵抗変化素子126を基本構造として、図2に示した第1金属酸化物層6、第2金属酸化物層7および第3金属酸化物層8の組み合わせの異なる7種類の抵抗変化素子を作製した。具体的には、Cuを主成分とする下部配線上に形成した第1金属酸化物層6、第2金属酸化物層7および第3金属酸化物層8の組み合わせは、TiOy1/AlOx1/TiOy4、TiOy1/NbOx2/TiOy4、TiOy1/TaOx3/TiOy4、ZrOy2/AlOx1/ZrOy5、ZrOy2/NbOx2、ZrOy2/TaOx3/ZrOy5、HfOy3/AlOx1/HfOy6の7種類である。y4、y5およびy6はそれぞれ第3金属酸化物層8を構成するTi、ZrおよびHfの酸化物における酸素組成である。
第3金属酸化物層8として、第2の金属層7上に、連続して膜厚0.2nmの金属層を堆積した。本実施例の抵抗変化素子は、第3金属酸化物層8を有する点を除いて、図3に示した抵抗変化素子126と同一である。
In this example, the structure of the second embodiment is applied to the variable resistance element 126 shown in FIG. 3 to produce elements having different combinations of the first metal oxide layer 121 and the second metal oxide layer 122. The characteristics of these elements were evaluated.
In this example, the variable resistance element 126 of the third embodiment is used as a basic structure, and the first metal oxide layer 6, the second metal oxide layer 7, and the third metal oxide layer 8 shown in FIG. Seven types of variable resistance elements having different values were produced. Specifically, the combination of the first metal oxide layer 6, the second metal oxide layer 7 and the third metal oxide layer 8 formed on the lower wiring mainly composed of Cu is TiOy1 / AlOx1 / TiOy4, TiOy1 / NbOx2 / TiOy4, TiOy1 / TaOx3 / TiOy4, ZrOy2 / AlOx1 / ZrOy5, ZrOy2 / NbOx2, ZrOy2 / TaOx3 / ZrOy5, HfOy3 / AlOx1 / HfOy6. y4, y5 and y6 are the oxygen compositions in the oxides of Ti, Zr and Hf constituting the third metal oxide layer 8, respectively.
A metal layer having a thickness of 0.2 nm was continuously deposited on the second metal layer 7 as the third metal oxide layer 8. The variable resistance element of the present embodiment is the same as the variable resistance element 126 shown in FIG. 3 except that the third variable metal oxide layer 8 is provided.

次に、本実施例の抵抗変化素子の特性についての測定結果を説明する。
本実施例の7種類の抵抗変化素子のうち、いずれの積層体においても、第1金属酸化物層のみを有する比較例の抵抗変化素子と比べて、実施例1で説明した結果と同程度のオフリークの低減および絶縁破壊電圧の向上が確認された。
具体的には、オフリーク電流について、第1金属酸化物層(TiOy1)のみの比較例の場合、図14に示したように7x10-7 Aであった。これに対して、本実施例の抵抗変化素子では、例えば、第1金属酸化物層、第2金属酸化物層および第3金属酸化物層の組み合わせがTiOy1/AlOx1/TiOy4である場合、オフリーク電流が4x10-8 Aに低減した。
また、絶縁破壊電圧については、第1金属酸化物層(TiOy1)のみの比較例の場合、図15に示したように、3.5Vである。これに対して、本実施例の抵抗変化素では、例えば、TiOy1/AlOx1/TiOy4の積層体を用いた場合、絶縁破壊電圧が4.5Vまで上昇した。これは、第3金属酸化物層の挿入により、下部で接する第2金属酸化物層の不動態形成による酸素バリア性が制御されているためであると考えられる。
Next, the measurement result about the characteristic of the resistance change element of a present Example is demonstrated.
Among the seven types of resistance change elements of the present example, in any of the stacked bodies, the result is similar to the result described in Example 1 compared to the resistance change element of the comparative example having only the first metal oxide layer. Reduction of off-leakage and improvement of dielectric breakdown voltage were confirmed.
Specifically, the off-leakage current was 7 × 10 −7 A as shown in FIG. 14 in the case of the comparative example having only the first metal oxide layer (TiOy1). On the other hand, in the variable resistance element of the present embodiment, for example, when the combination of the first metal oxide layer, the second metal oxide layer, and the third metal oxide layer is TiOy1 / AlOx1 / TiOy4, Reduced to 4 × 10 −8 A.
The dielectric breakdown voltage is 3.5 V as shown in FIG. 15 in the case of the comparative example having only the first metal oxide layer (TiOy1). On the other hand, in the variable resistance element of the present example, for example, when a laminated body of TiOy1 / AlOx1 / TiOy4 was used, the dielectric breakdown voltage increased to 4.5V. This is considered to be because the oxygen barrier property by the passive formation of the second metal oxide layer in contact with the lower part is controlled by the insertion of the third metal oxide layer.

本実施例は、第3の実施形態の抵抗変化素子およびその製造方法をベースにして、半導体基板上の多層配線構造に3端子型抵抗変化素子を設けた構成である。
本実施例の3端子型抵抗変化素子の構成を説明する。なお、本実施例では、主に第3の実施形態と異なる構成について説明し、第3の実施形態と同様な構成についての詳細な説明を省略する。
図16は本実施例の3端子型抵抗変化素子が半導体基板上の多層配線構造の内部に設けられた構成を模式的に示した部分断面図である。
図16に示すように、3端子型抵抗変化素子224においては、下部電極として第1下部配線206aおよび第2下部配線206bが設けられている。そして、第1バリア絶縁膜107に形成された1つの開口部に、第1ギャップ絶縁膜104を挟んで互いに離間した第1下部配線206aおよび第2下部配線206bのそれぞれの上面が部分的に露出している。下部配線206aおよび第2下部配線206bのそれぞれの上面の露出部分は、第1ギャップ絶縁膜104の上面とともに上記開口部を介して上層の第1金属酸化物121に接触している。
また、第1下部配線206aおよび第2下部配線206bのいずれもが、例えば、Cuで構成される場合、図3に示した構成の下部配線106と同様な構成にすることが可能であり、第3の実施形態で説明した方法で形成することができる。
This example has a configuration in which a three-terminal variable resistance element is provided in a multilayer wiring structure on a semiconductor substrate based on the variable resistance element of the third embodiment and the manufacturing method thereof.
The configuration of the three-terminal variable resistance element according to this embodiment will be described. In this example, a configuration different from the third embodiment will be mainly described, and a detailed description of a configuration similar to the third embodiment will be omitted.
FIG. 16 is a partial cross-sectional view schematically showing a configuration in which the three-terminal variable resistance element of this example is provided in the multilayer wiring structure on the semiconductor substrate.
As shown in FIG. 16, in the three-terminal variable resistance element 224, a first lower wiring 206a and a second lower wiring 206b are provided as lower electrodes. Then, the upper surfaces of the first lower wiring 206a and the second lower wiring 206b that are separated from each other with the first gap insulating film 104 interposed therebetween are partially exposed in one opening formed in the first barrier insulating film 107. doing. The exposed portions of the upper surfaces of the lower wiring 206a and the second lower wiring 206b are in contact with the upper first metal oxide 121 through the opening together with the upper surface of the first gap insulating film 104.
Further, when both the first lower wiring 206a and the second lower wiring 206b are made of, for example, Cu, it is possible to have the same configuration as the lower wiring 106 having the configuration shown in FIG. It can be formed by the method described in the third embodiment.

本実施形態の抵抗変化素子は、第1下部配線206aを第1電極とし、第2下部配線206bを第3電極とすれば、第1電極と第3電極は同一レイヤーに設けられ、第2電極は第1電極および第3電極とは別のレイヤーに設けられた構成である。   In the variable resistance element of this embodiment, if the first lower wiring 206a is the first electrode and the second lower wiring 206b is the third electrode, the first electrode and the third electrode are provided in the same layer, and the second electrode Is a configuration provided in a layer different from the first electrode and the third electrode.

次に、本実施例の3端子型抵抗変化素子の製造方法を説明する。なお、本実施例では、主に第3の実施形態と異なる処理について説明し、第3の実施形態と同様な処理についての詳細な説明を省略する。
本実施例では、ドライエッチングによる第1ハードマスク膜107への開口部の形成において、第1下部配線206aおよび第2下部配線206bに挟まれた第1キャップ絶縁膜104は、表面がドライエッチングされることにより膜減りが生じる。そのため、開口部を形成後、第1下部配線206aおよび第2下部配線206bの表面を含む開口部上に、DCスパッタリング法により、第1金属酸化物121となる第1の金属層161、および第2金属酸化物層122となる第2の金属層162をこの順に連続して堆積した。本実施例においては、第1の金属層161として膜厚0.5nmのZrを選択し、第2の金属層162として膜厚0.2nmのAlを選択した。その後、大気暴露することなく基板温度は室温にて、O2流量10sccm、圧力0.5Pa、照射時間60秒のO2ガス照射により、第1金属酸化物層121であるZrOy2および第2金属酸化物層122であるAlOx1を形成した。続いて、400℃以下の基板温度にて、N2およびO2各流量10/10sccm、圧力900Pa、処理時間30秒の条件で加熱処理を行った。この処理により、第1下部配線206aおよび第2下部配線206bと、第1金属酸化物層121であるZrOy2との間に未反応で残留したZr金属成分を、Cuからなる第1下部配線206aおよび第2下部配線206b表面への合金化および拡散により除去した。
次に、固体電解質層123を第2金属酸化物層122上に堆積した。固体電解質層123堆積以降の工程については、第3の実施形態で説明した抵抗変化素子と同様な形成方法を用いることで、図16に示すように、多層配線構造内に3端子型抵抗変化型素子224を形成することができる。
Next, a method for manufacturing the three-terminal variable resistance element according to this embodiment will be described. In this example, processing different from that of the third embodiment will be mainly described, and detailed description of processing similar to that of the third embodiment will be omitted.
In this embodiment, when the opening is formed in the first hard mask film 107 by dry etching, the surface of the first cap insulating film 104 sandwiched between the first lower wiring 206a and the second lower wiring 206b is dry etched. This causes film loss. Therefore, after the opening is formed, the first metal layer 161 to be the first metal oxide 121 and the first metal oxide 121 are formed on the opening including the surfaces of the first lower wiring 206a and the second lower wiring 206b by the DC sputtering method. A second metal layer 162 to be a two metal oxide layer 122 was continuously deposited in this order. In this example, Zr having a thickness of 0.5 nm was selected as the first metal layer 161, and Al having a thickness of 0.2 nm was selected as the second metal layer 162. Thereafter, ZrOy2 as the first metal oxide layer 121 and the second metal oxide layer are irradiated by O2 gas irradiation at an O2 flow rate of 10 sccm, a pressure of 0.5 Pa, and an irradiation time of 60 seconds at room temperature without exposure to the atmosphere. An AlOx1 of 122 was formed. Subsequently, heat treatment was performed at a substrate temperature of 400 ° C. or lower under the conditions of N 2 and O 2 flow rates of 10/10 sccm, pressure of 900 Pa, and treatment time of 30 seconds. By this process, the Zr metal component remaining unreacted between the first lower wiring 206a and the second lower wiring 206b and ZrOy2 which is the first metal oxide layer 121 is converted into the first lower wiring 206a made of Cu and The second lower wiring 206b was removed by alloying and diffusion on the surface.
Next, the solid electrolyte layer 123 was deposited on the second metal oxide layer 122. With respect to the steps after the deposition of the solid electrolyte layer 123, by using the same formation method as that of the resistance change element described in the third embodiment, as shown in FIG. 16, a three-terminal resistance change type is formed in the multilayer wiring structure. An element 224 can be formed.

上記で形成した3端子型抵抗変化素子224の形成においても、実施例1と同様に、第1金属酸化物層121のみを有する比較例の3端子型抵抗変化素子に比べてオフリークの低減、および絶縁破壊電圧の向上が確認された。
具体的には、オフリーク電流について、第1金属酸化物層であるZrOy2のみである場合、5x10-7 Aであるのに対し、本実施例における、第1金属酸化物層121となるZrOy2、および第2金属酸化物層122となるAlOx1を用いた3端子型抵抗変化素子224においては、8x10-8Aと十分に低減したことを確認した。
また、絶縁破壊電圧についても、第1金属酸化物層であるZrOy2のみである場合、3.6Vであるが、本実施例の3端子型抵抗変化素子224においては4.3Vまで上昇した。本実施例では、一例として、第1金属酸化物層121となるZrOy2、および第2金属酸化物層122となるAlOx1を用いた3端子型抵抗変化素子224について述べたが、この材料構成の組み合わせに限定されず、実施例1で示した組み合わせ構成であってもよい。
以上の結果から、本発明の抵抗変化素子およびその製造方法は3端子型抵抗変化素子においても、オフリーク電流が低減され、かつ、リセット時の絶縁破壊電圧が改善されることがわかった。
In the formation of the three-terminal variable resistance element 224 formed as described above, as in Example 1, the off-leakage is reduced as compared with the three-terminal variable resistance element of the comparative example having only the first metal oxide layer 121, and Improvement of dielectric breakdown voltage was confirmed.
Specifically, the off-leakage current is 5 × 10 −7 A in the case of only the first metal oxide layer ZrOy2, whereas ZrOy2 that becomes the first metal oxide layer 121 in this example, and in three-terminal variable resistance element 224 with AlOx1 serving as the second metal oxide layer 122 it was confirmed that it has sufficiently reduced and 8x10 -8 a.
In addition, the dielectric breakdown voltage was 3.6 V when only the first metal oxide layer ZrOy 2 was used, but increased to 4.3 V in the three-terminal resistance change element 224 of the present example. In this embodiment, as an example, the three-terminal variable resistance element 224 using ZrOy2 as the first metal oxide layer 121 and AlOx1 as the second metal oxide layer 122 has been described. The combination configuration shown in the first embodiment is not limited thereto.
From the above results, it was found that the resistance change element and the manufacturing method thereof according to the present invention also reduce the off-leakage current and improve the breakdown voltage at reset even in the three-terminal resistance change element.

本実施形態の抵抗変化素子は、以下のような構成であってもよい。
(付記1)
第1電極と、
前記第1電極とは異なる層に設けられた第2電極と、
前記第1電極と同一層に設けられた第3電極と、
前記第1電極及び第3電極と前記第2電極との間に設けられた抵抗変化層と、を有し、
前記抵抗変化層は、前記第1電極および第3電極と接するバッファ層と、前記第2電極と接する固体電解質層とで構成され、
前記第1電極および第3電極は、銅を含む構成であり、該第1電極および第3電極と第2電極との間に電圧が印加されると、銅をイオン化して前記バッファ層および前記固体電解質層内に注入し、
前記バッファ層は、銅よりも酸化の自由エネルギーが負に大きいバルブメタルの酸化物で構成され、前記第1電極および第3電極に近い方から順に第1金属酸化物層および第2金属酸化物層が設けられた構成であり、
前記第2金属酸化物層は不動態層である、抵抗変化素子。
The variable resistance element of the present embodiment may have the following configuration.
(Appendix 1)
A first electrode;
A second electrode provided in a different layer from the first electrode;
A third electrode provided in the same layer as the first electrode;
A variable resistance layer provided between the first electrode, the third electrode, and the second electrode;
The variable resistance layer includes a buffer layer in contact with the first electrode and the third electrode, and a solid electrolyte layer in contact with the second electrode.
The first electrode and the third electrode include copper, and when a voltage is applied between the first electrode, the third electrode, and the second electrode, copper is ionized to form the buffer layer and the Injected into the solid electrolyte layer,
The buffer layer is made of a valve metal oxide having a negative oxidation free energy larger than that of copper, and the first metal oxide layer and the second metal oxide are arranged in order from the closer to the first electrode and the third electrode. A layer is provided,
The resistance change element, wherein the second metal oxide layer is a passive layer.

また、本実施形態の抵抗変化素子の製造方法は、以下のような方法であってもよい。
(付記2)
銅を含む第1電極を基板上に形成し、
前記第1電極の上面の一部を露出させる開口部を有する絶縁性バリア膜を前記第1電極の上に形成し、
前記開口部を含む前記絶縁性バリア膜上に第1の金属を含む膜である第1金属層と第2の金属を含む膜である第2金属層を順に堆積し、
前記第2金属層を堆積した後、大気暴露することなく前記第1金属層および前記第2金属層に酸化処理を行って、第1金属酸化物層および第2金属酸化物層を形成し、
前記酸化処理の後、減圧下、前記第2金属層の堆積温度よりも高い温度で真空加熱処理を行って、該第2金属酸化物層を不動態層に変換し、
前記第2金属酸化物層の上に固体電解質層および第2電極を順に形成する、抵抗変化素子の形成方法。
Moreover, the following method may be sufficient as the manufacturing method of the resistance change element of this embodiment.
(Appendix 2)
Forming a first electrode containing copper on the substrate;
Forming an insulating barrier film having an opening exposing a part of the upper surface of the first electrode on the first electrode;
A first metal layer that is a film containing a first metal and a second metal layer that is a film containing a second metal are sequentially deposited on the insulating barrier film including the opening,
After depositing the second metal layer, the first metal layer and the second metal layer are oxidized without being exposed to the atmosphere to form a first metal oxide layer and a second metal oxide layer,
After the oxidation treatment, under reduced pressure, a vacuum heat treatment is performed at a temperature higher than the deposition temperature of the second metal layer to convert the second metal oxide layer into a passive layer,
A method of forming a resistance change element, comprising sequentially forming a solid electrolyte layer and a second electrode on the second metal oxide layer.

(付記3)
付記2に記載の抵抗変化素子の形成方法において、
前記第1金属層の膜厚は0.7nm以下であり、前記第2金属層の膜厚は0.5nm以下である、抵抗変化素子の形成方法。
(Appendix 3)
In the method of forming a resistance change element according to attachment 2,
The variable resistance element forming method, wherein the first metal layer has a thickness of 0.7 nm or less, and the second metal layer has a thickness of 0.5 nm or less.

以上、実施形態および実施例に基づき本発明を説明したが、これら実施形態および実施例は単に実例を挙げて発明を説明するためのものであって、限定することを意味するものではない。当業者であれば、上記記載に基づき各種変形例および改良例に想等するのは当然であり、これらも本発明の範囲に含まれるものと了解される。   As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment and an Example, these embodiment and an Example are only for demonstrating invention by an example, Comprising: It does not mean limiting. A person skilled in the art naturally thinks of various modifications and improvements based on the above description, and it is understood that these are also included in the scope of the present invention.

上記の実施形態および実施例では、本発明の背景として、本発明の利用分野となるCMOS回路を有する半導体装置に関して詳しく説明し、半導体基板上の多層配線構造内に搭載した固体電解質スイッチ素子を形成する例について説明したが、本発明はそれに限定されるものではない。本発明は、例えば、DRAM、SRAM(Static RAM)、フラッシュメモリ、FRAM(登録商標)(Ferro−Electric RAM)、キャパシタ、バイポーラトランジスタ等のようなメモリ回路を有する半導体製品、マイクロプロセッサなどの論理回路を有する半導体製品、またはそれらを同時に搭載したボードやパッケージの金属配線形成工程にも適用することができる。また、本発明は、半導体装置への、電子回路装置、光回路装置、量子回路装置、マイクロマシン、MEMS(Micro−Electro−Mechanical Systems)などに接続する配線形成工程にも適用することができる。   In the above embodiments and examples, as a background of the present invention, a semiconductor device having a CMOS circuit, which is a field of application of the present invention, will be described in detail, and a solid electrolyte switch element mounted in a multilayer wiring structure on a semiconductor substrate is formed. However, the present invention is not limited thereto. The present invention relates to, for example, a semiconductor product having a memory circuit such as a DRAM, SRAM (Static RAM), flash memory, FRAM (registered trademark) (Ferro-Electric RAM), capacitor, bipolar transistor, etc., and a logic circuit such as a microprocessor. The present invention can also be applied to a metal wiring forming process of a semiconductor product having the above or a board or package on which these are simultaneously mounted. The present invention can also be applied to a wiring formation process for connecting a semiconductor device to an electronic circuit device, an optical circuit device, a quantum circuit device, a micromachine, a MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), or the like.

1 第1電極
2 第2電極
3 抵抗変化層
4 バッファ層
5 固体電解質層
6 第1金属酸化物層
7 第2金属酸化物層
8 第3金属酸化物層
106 下部配線
107 第1バリア絶縁膜
121 第1金属酸化物層
122 第2金属酸化物層
123 固体電解質層
124 第1上部電極
125 第2上部電極
126 抵抗変化素子
161 第1の金属層
162 第2の金属層
206a 第1下部配線
206b 第2下部配線
224 3端子型抵抗変化素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st electrode 2 2nd electrode 3 Resistance change layer 4 Buffer layer 5 Solid electrolyte layer 6 1st metal oxide layer 7 2nd metal oxide layer 8 3rd metal oxide layer 106 Lower wiring 107 1st barrier insulating film 121 First metal oxide layer 122 Second metal oxide layer 123 Solid electrolyte layer 124 First upper electrode 125 Second upper electrode 126 Resistance change element 161 First metal layer 162 Second metal layer 206a First lower wiring 206b First 2 lower wiring 224 3 terminal type resistance change element

Claims (10)

第1電極と、第2電極と、該第1電極および第2電極間に設けられた抵抗変化層とを有する抵抗変化素子であって、
前記抵抗変化層は、前記第1電極と接するバッファ層と、前記第2電極と接する固体電解質層とで構成され、
前記第1電極は、銅を含む構成であり、該第1電極および第2電極間に電圧が印加されると、銅をイオン化して前記バッファ層および前記固体電解質層内に注入し、
前記バッファ層は、銅よりも酸化の自由エネルギーが負に大きいバルブメタルの酸化物で構成され、前記第1電極に近い方から順に第1金属酸化物層および第2金属酸化物層が設けられた構成であり、
前記第2金属酸化物層は不動態層である、抵抗変化素子。
A resistance change element having a first electrode, a second electrode, and a resistance change layer provided between the first electrode and the second electrode,
The variable resistance layer includes a buffer layer in contact with the first electrode and a solid electrolyte layer in contact with the second electrode.
The first electrode is configured to include copper, and when a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, copper is ionized and injected into the buffer layer and the solid electrolyte layer,
The buffer layer is made of a valve metal oxide having a negative oxidation free energy larger than that of copper, and a first metal oxide layer and a second metal oxide layer are provided in order from the side closer to the first electrode. Configuration,
The resistance change element, wherein the second metal oxide layer is a passive layer.
請求項1に記載の抵抗変化素子において、
前記第2金属酸化物層はAl、NbおよびTaのうち少なくとも1つを含む酸化物で構成されている、抵抗変化素子。
The resistance change element according to claim 1,
The resistance change element, wherein the second metal oxide layer is made of an oxide containing at least one of Al, Nb, and Ta.
請求項2に記載の抵抗変化素子において、
前記第2金属酸化物層はAlOx1、NbOx2、TaOx3の少なくとも1つを含み、x1は1.3≦x1≦1.5を満たし、x2は1.8≦x2≦2.5を満たし、x3は1.8≦x3≦2.5を満たす、抵抗変化素子。
The resistance change element according to claim 2,
The second metal oxide layer includes at least one of AlOx1, NbOx2, and TaOx3, x1 satisfies 1.3 ≦ x1 ≦ 1.5, x2 satisfies 1.8 ≦ x2 ≦ 2.5, and x3 is A variable resistance element satisfying 1.8 ≦ x3 ≦ 2.5.
請求項3に記載の抵抗変化素子において、
前記第1金属酸化物層はTi、Zr、Hfのうち少なくとも1つを含む酸化物で構成されている、抵抗変化素子。
The resistance change element according to claim 3,
The resistance change element, wherein the first metal oxide layer is made of an oxide containing at least one of Ti, Zr, and Hf.
請求項4に記載の抵抗変化素子において、
前記第1金属酸化物層は、TiOy1、ZrOy2、HfOy3の少なくとも1つを含み、y1は1.5≦y1≦2.0を満たし、y2は1.5≦y2≦2.0を満たし、y3は1.5≦y3≦2.0を満たす、抵抗変化素子。
The resistance change element according to claim 4,
The first metal oxide layer includes at least one of TiOy1, ZrOy2, and HfOy3, y1 satisfies 1.5 ≦ y1 ≦ 2.0, y2 satisfies 1.5 ≦ y2 ≦ 2.0, and y3 Is a resistance change element satisfying 1.5 ≦ y3 ≦ 2.0.
請求項1から5のいずれか1項に記載の抵抗変化素子において、
前記第1電極が前記第1金属酸化物層と接する面に、前記第1金属酸化物層に含まれる金属と銅とを含む合金が設けられている、抵抗変化素子。
The resistance change element according to any one of claims 1 to 5,
The resistance change element, wherein an alloy including a metal and copper contained in the first metal oxide layer is provided on a surface where the first electrode is in contact with the first metal oxide layer.
請求項1から6のいずれか1項に記載の抵抗変化素子において、
前記第2金属酸化物層と前記固体電解質層との間に第3金属酸化物層がさらに設けられ、
前記第1金属酸化物層および前記第3金属酸化物層は同一の金属元素を含む、抵抗変化素子。
The resistance change element according to any one of claims 1 to 6,
A third metal oxide layer is further provided between the second metal oxide layer and the solid electrolyte layer;
The resistance change element, wherein the first metal oxide layer and the third metal oxide layer contain the same metal element.
請求項1から7のいずれか1項に記載の抵抗変化素子において、
前記第1電極と前記第1金属酸化物層との間に、開口部を有する絶縁性バリア膜がさらに設けられ、
前記第1電極は、銅配線を兼ねる銅電極であり、前記開口部を介して前記第1金属酸化物層と接している、抵抗変化素子。
The resistance change element according to any one of claims 1 to 7,
An insulating barrier film having an opening is further provided between the first electrode and the first metal oxide layer;
The first electrode is a copper electrode that also serves as a copper wiring, and is in contact with the first metal oxide layer through the opening.
請求項1から8のいずれか1項に記載の抵抗変化素子において、
前記第1金属酸化物層の膜厚は1.0nm以下であり、前記第2金属酸化物層の膜厚は0.8nm以下である、抵抗変化素子。
The resistance change element according to any one of claims 1 to 8,
The resistance change element, wherein the first metal oxide layer has a thickness of 1.0 nm or less, and the second metal oxide layer has a thickness of 0.8 nm or less.
銅を含む第1電極を基板上に形成し、
前記第1電極の上面の一部を露出させる開口部を有する絶縁性バリア膜を前記第1電極の上に形成し、
前記開口部を含む前記絶縁性バリア膜上に第1の金属を含む膜である第1金属層と第2の金属を含む膜である第2金属層を順に堆積し、
前記第2金属層を堆積した後、大気暴露することなく前記第1金属層および前記第2金属層に酸化処理を行って、第1金属酸化物層および第2金属酸化物層を形成し、
前記酸化処理の後、減圧下、前記第2金属層の堆積温度よりも高い温度で加熱処理を行って、該第2金属酸化物層を不動態層に変換し、
前記第2金属酸化物層の上に固体電解質層および第2電極を順に形成する、抵抗変化素子の形成方法。
Forming a first electrode containing copper on the substrate;
Forming an insulating barrier film having an opening exposing a part of the upper surface of the first electrode on the first electrode;
A first metal layer that is a film containing a first metal and a second metal layer that is a film containing a second metal are sequentially deposited on the insulating barrier film including the opening,
After depositing the second metal layer, the first metal layer and the second metal layer are oxidized without being exposed to the atmosphere to form a first metal oxide layer and a second metal oxide layer,
After the oxidation treatment, heat treatment is performed under reduced pressure at a temperature higher than the deposition temperature of the second metal layer, to convert the second metal oxide layer into a passive layer,
A method of forming a resistance change element, comprising sequentially forming a solid electrolyte layer and a second electrode on the second metal oxide layer.
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